摘要
太赫兹波是频率范围为0.1~10THz之间的电磁波，具有能量低、透过性好、相干性高、脉宽窄等优点。太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是目前太赫兹领域应用广泛的光谱分析技术，被广泛应用于物理、化学、生物、医药等领域。近年来，该技术也被逐渐应用到实验力学测量的研究中。太赫兹波对介电材料的高透过性，使得THz-TDS表现出在内部应力表征中的巨大潜力。基于THz-TDS技术，本文发展了用于介电材料平面应力的定量表征方法，包括测量理论、分析系统及测试方法，本文主要内容有如下五个方面： 一、构建用于应力分析的偏振敏感THz-TDS成像系统。首先，在空间光THz-TDS系统中引入线栅偏振器，使其具有对太赫兹波偏振态的控制和感知能力，并引入机械加载装置，实现了通过应力对太赫兹信号的调制；其次，基于全光纤THz-TDS系统，搭建了偏振敏感的双臂THz-TDS成像系统，实现了透射式和反射式THz-TDS系统的综合应用；最后，测量了太赫兹时域光谱实验系统的若干参数，并提出基于太赫兹相位谱的时间延迟测量方法。 二、提出了基于多偏振态太赫兹波的各向同性材料平面应力表征方法。首先，建立了基于各向同性材料应力双折射效应的应力-太赫兹波调制理论模型；并根据几何光学琼斯矩阵对不同偏振态的太赫兹相位响应进行推导；再次，建立了通过递归搜索反解材料平面应力状态参量的算法；最后，以典型各向同性材料作为实验对象，测量了材料的太赫兹波段折射率和应力光学系数，并对各向同性材料的平面应力状态进行了实验测量，验证了提出的应力表征方法。 三、发展了基于THz-TDS系统的各向异性材料平面应力表征方法。首先，结合晶体结构特征，本文总结了太赫兹波在不同受载晶格结构材料中的传递模型，提出了对各向异性材料的应力表征方法；其次，基于不同材料的晶体结构给出了其应力弹光系数矩阵，并对不同晶体结构的材料的不同晶面上的应力太赫兹响应进行推导，提出适用于各向异性材料的多偏振太赫兹波应力表征方法；最后，针对单晶硅材料，对单晶硅平面应力状态进行实验研究。测量出单晶硅材料应力光学系数的各独立分量，并实现了单晶硅[100]晶面上的平面应力状态表征。 四、发展了基于THz-TDS的应力场成像方法。首先，开发了基于THz-TDS的应力场扫描成像系统，发展了基于太赫兹脉冲信号的幅值场成像方法；其次，发展了基于太赫兹脉冲信号幅值信息的平面应力分析算法和基于太赫兹信号相位信息的平面应力分离算法。最后，通过对典型弹性材料的THz-TDS成像实验，标定了材料的应力光学系数，测量了该材料对径受压圆盘试件上的应力场分布，amp;nbsp;并给出了弹性范围内应力场的测量精度。 五、发展了材料中弹塑性应变的分析方法。首先，针对材料的弹塑性变形，本文提出了材料弹性变形和塑性变形对折射率的共同调制模型；并基于该模型进行实验研究。其次，在聚四氟乙烯拉伸试件的弹塑性拉伸中，分析了弹塑性应变对透射THz-TDS信号的调制模式。最后，根据所提出的共同调制模型，测得材料的弹性变形响应系数和塑性变形响应系数。
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