基于气体特征吸收谱线的太赫兹时域光谱仪频率校准

提出一种基于气体特征吸收谱线的太赫兹时域光谱仪（THz-TDS）的频率校准方法。通过将THz-TDS测量结果与CO在THz波段的特征吸收谱线标准数据进行比较,对THz-TDS光学延时线运动速度控制不精确造成的光谱测量线性误差进行了修正,从而实现了THz-TDS的频率校准,修正后的THz-TDS频率测量平均误差为3.1 GHz。     

持久性有机物硫丹的太赫兹光谱研究

以最新被斯德哥尔摩公约列入持久性有机污染物的硫丹为研究对象,采用太赫兹时域光谱技术获得了α硫丹在0.2～2THz频率范围内的吸收系数谱和折射率谱,结果显示在此频率范围内存在有一系列特征吸收峰,并且通过实验和理论计算对比发现在1.70和1.88THz处的实验吸收峰与1.68和1.91THz处的理论吸收峰有很好的吻合;经分析认为,这吻合峰是由于分子内集体振动引起的,实验中的其他峰值可能归因子分子间弱相互作用力和混合振动。研究结果证明了THz-TDS技术进行持久性有机物检测的可行性,为THz-TDS系统在持久性有机物识别和残留物检测方面的应用提供了依据。     

L-抗坏血酸的太赫兹波时域光谱研究

文章从理论分析和实验研究两方面探讨了L-抗坏血酸分子在0.2～2.4 THz波段的光谱特性。应用密度泛函理论的Becke-3-Lee-Yang-Parr(B3LYP)方法计算了L-抗坏血酸分子在THz波段的振动吸收谱,同时利用THz时域光谱系统(THz-TDS)测得了L-抗坏血酸在此波段的吸收谱和折射率谱。根据理论计算结果,借助于Gaussian View软件对L-抗坏血酸的THz吸收谱进行了指认。最后将L-抗坏血酸分子和市售维生素C药片的THz吸收谱进行了比较。研究表明,L-抗坏血酸分子在THz波段存在吸收峰,理论计算结果与实验结果符合较好,且这些吸收是由分子内和分子间振动共同引起的。与市售维生素C药片的吸收谱比较表明,L-抗坏血酸的吸收峰在维生素C药片的太赫兹吸收谱中均有反映。研究结果有助于进一步理解L-抗坏血酸的生物作用,为应用THz-TDS技术进行L-抗坏血酸的定量分析提供了依据。     

宽频段太赫兹光谱技术的抗坏血酸和硫胺素研究

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR),测量了L-抗坏血酸与硫胺素在0.10~3.50 THz的光谱特性。给出了两种维生素的分子模型,详细分析比较了抗坏血酸与硫胺素在两种方法测量下吸收光谱的异同。结果表明：利用太赫兹时域光谱和傅里叶红外光谱测得的特征吸收谱在0.70~3.00 THz完全吻合,而在较低频段0.30~0.50 THz,两种样品的傅里叶红外光谱展现了太赫兹时域光谱所没有的特征峰,同时硫胺素样品在8.00~12.00 THz范围内,8.75,8.85,9.00,9.30和10.30 THz出现指纹峰;研究了样品掺杂不同比例聚乙烯粉末时THz吸收光谱的差异,抗坏血酸对太赫兹吸收较弱,总结了两种维生素的折射率曲线与其吸收峰的对应关系;结果对抗坏血酸和硫胺素的分析识别以及维生素太赫兹光谱数据库的建立具有重要参考意义。     

结构相似单糖和二糖分子的太赫兹时域光谱研究

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术结合密度泛函理论(DFT)对两种结构相似的典型单糖和二糖物质(D-葡萄糖和乳糖一水化合物)在0.3~1.7 THz频段的太赫兹吸收光谱进行了实验与理论模拟研究。首先,利用THz-TDS技术分别测量了D-葡萄糖和乳糖一水化合物在0.3~1.7 THz频段的太赫兹特征吸收谱,获得了它们在此太赫兹频率范围内的指纹光谱数据,发现虽然乳糖的组成结构中含有葡萄糖,但THz-TDS技术对糖类分子的结构变化非常敏感,两种物质在所测太赫兹频段内分别表现出各自不同的太赫兹指纹吸收特性。然后,利用DFT方法分别对两种糖类物质单分子和多分子构型的低频集体振动模式进行了理论模拟计算,获得了D-葡萄糖晶胞构型和乳糖一水化合物单分子及晶胞构型的DFT模拟计算结果,并通过简正振动模式分解的PED分析方法,结合GaussView显示的分子振动形式,对两种糖类物质在太赫兹频段吸收峰的简正振动模式进行了指认,发现乳糖一水化合物的振动模式与羟基(-OH)、羟甲基(-CH₂OH)和糖苷键的振动模式密切相关,且D-葡萄糖在1.44 THz处及乳糖一水化合物在1.38 THz处出现的吸收峰主要是由分子间的相互作用(氢键和范德华力),尤其是相互作用较强的氢键引起。最后,利用约化密度梯度(RDG)分析,可视化地分析了D-葡萄糖和乳糖一水化合物分子间相互作用的位置、类型和强度,进一步证明了两种物质在太赫兹频段的特征吸收峰主要来源于分子间氢键网络支配的集体振动模式。研究结果表明,THz-TDS技术对糖类分子结构的细微变化有着敏锐的感知,虽然D-葡萄糖和乳糖一水化合物的分子结构相似,但太赫兹波对它们之间的结构差异十分敏感,两者在太赫兹波段的特征吸收谱表现出明显差异,这为THz-TDS技术结合DFT方法对糖类物质进行检测识别以及研究糖类分子间的相互作用提供了有价值的实验和理论参考。     

LLM-105太赫兹波吸收特性及理论计算

2,6-二氨基-3, 5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)是一种综合性能优良的新型高能钝感炸药,为了研究LLM-105的分子结构特性,利用太赫兹时域光谱技术对该炸药在0.2～2.4 THz频率范围内的吸收光谱进行了探测,结果表明LLM-105在该频率范围内出现了多个强度不同的特征吸收峰,分别位于1.27, 1.59, 2.00, 2.08, 2.20, 2.29 THz处。基于密度泛函理论(DFT),借助Materials Studio 6.0量子化学软件对LLM-105晶体在小于2.5 THz频率范围内的吸收光谱进行了模拟计算,计算结果中除了2.29 THz处吸收频率,其余5处与实验测得值均有很好的一致性,从理论角度验证了实验数据的准确性。完成了对实验太赫兹吸收光谱中特征吸收峰振动模式的分析和指认,结果表明LLM-105太赫兹吸收特征峰的形成与分子振动密切相关,进一步为其分子结构变化的研究提供重要的实验手段与技术支撑。对于没有计算频率对应的2.29 THz处特征吸收峰,分析认为是由晶格振动或其他原因导致。     

木糖醇和D-木糖的太赫兹光谱检测与分析

甜味剂是一种非常重要的食品添加剂,在食品工业中的应用十分广泛,甜味剂的鉴别和检测是一个非常重要的研究课题。太赫兹电磁辐射具有许多独特的性质,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术已发展成为一种重要的无损检测方法。文章利用太赫兹时域光谱技术,对木糖醇和D-木糖进行了光谱测量,结果表明在0.3～2.6THz波段内,木糖醇在1.62,1.87和2.51THz三个频率位置处出现吸收峰,而D-木糖的吸收峰位于1.67,1.96和2.46THz。应用密度泛函理论,对两种样品的单分子结构进行几何优化和频率计算,并据此对实验测量的吸收峰进行了指认,说明部分吸收峰源于单分子的振动模式,另一部分源于分子间相互作用的振动模式。     

有机磷农药甲基对硫磷的太赫兹(THz)光谱研究

运用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)与理论模拟相结合的方法研究了有机磷农药甲基对硫磷在THz波段的光谱特性。在室温氮气环境中得到了样品在0.2～2.0 THz波段的吸收谱和折射率谱。表明其特征吸收峰分别位于0.65,1.33,1.81和1.91 THz处,其平均折射率为1.39。同时运用密度泛函理论(DFT)计算了甲基对硫磷分子的结构及其在太赫兹波段的振动频率,计算结果与实验数据吻合较好。研究结果表明,实验光谱的特征吸收峰是由分子的集体振动及扭转形成,不同的吸收峰位对应分子不同的振转模式。     

太赫兹波段的L-,D-,DL-丙氨酸振动光谱研究

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)技术,对L-,D-,DL-α-丙氨酸晶体粉末进行了太赫兹光谱的室温测量。在0.3～3.0THz范围内,观察到数个吸收峰,发现其两种旋光体(L-,D-丙氨酸)与其外消旋化合物(DL-丙氨酸)在吸收峰上有较大差异。同时,运用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,对丙氨酸的3种样品进行了振动光谱的理论模拟,得到了与实验数据较为吻合的结果,指出THz波段的吸收光谱是来源于通过氢键作用产生的分子集体振动。     

吡虫啉的太赫兹(THz)光谱研究

由超短激光脉冲产生的脉冲波是具有较宽频带的电磁辐射,属于远红外波段,该波段电磁波与物质的相互作用是个崭新的研究领域。文章利用太赫兹时域光谱技术测量了室温下吡虫啉在0.2～2.0 THz范围内的吸收谱和折射率谱。结果表明吡虫啉在此波段有明显的特征吸收峰且吸收系数随频率的增加而增大,折射率也随频率的增加而有所增大,其平均折射率为1.65。实验研究的同时,运用半经验理论计算了吡虫啉分子的结构及其在太赫兹波段的振动频率,并根据计算结果对实验数据进行了解析。计算结果与实验光谱吻合得很好,实验光谱的特征吸收峰是由分子的集体振动及扭转形成, 不同的吸收峰位对应分子不同的振转模式。实验和理论研究的对比表明：分子的远红外吸收特征对于分子的结构和空间排列非常敏感,THz-TDS是研究生物分子集体振动模式和构象结构的好方法。     

Practical method to estimate the standard deviation in absorption coefficients measured with THz time-domain spectroscopy

A model of standard deviation in the intensity spectrum of electric field observed with the terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is proposed to estimate the random error in the transmittance and absorption coefficients from a single or a few measurements of a sample. The proposed standard deviation which is derived on the basis of the statistical standard deviation and noise floor of intensity spectrum of reference fits well to the standard deviation of transmittance as well as absorption coefficient computed statistically. This study contributes the simple and computationally efficient method to demonstrate the accuracy in optical constants like imaginary part of refractive index and absorption coefficients measured using the THz-TDS.     

多种糖混合物的太赫兹时域光谱定性及定量分析研究

利用太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术研究了D-(-)-核糖、D-葡萄糖、α-乳糖一水合物及β-乳糖在0.3～1.6 THz波段的光谱特性。结果显示THz波对几种糖结构的变化有灵敏响应,在测量波段内有各自特征的THz指纹吸收光谱。利用线性回归技术对含两至四组分混合体系的THz光谱进行定性及定量解析,获得了混合物中各组分含量,相对误差小于7.2%,并就误差产生的原因做了简要分析。实验结果表明THz-TDS技术能够用于材料的定性及定量分析研究,在生物医药的无损检测和质量控制等方面有重要的应用前景。     

4种过期感冒药品的太赫兹光谱研究

针对近期几起过期药品致病的负面消息,为进一步提高药品质量检测的速度,提出采用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）无损检测药品质量的新方法。首先,通过飞秒激光器以及THz-TDS系统（Z-3）检测过期阿莫西林胶囊、复方氨酚烷胺片、板蓝根颗粒和复方板蓝根颗粒等常用感冒药的太赫兹时域光谱。然后,通过快速傅里叶变换（FFT）,得到其太赫兹脉冲随频率变化的频谱图。接着,根据Dorney和Duvillaret等提出的THz-TDS提取光学参数模型,得到以上4种感冒药品的太赫兹特征吸收峰、吸收系数图谱和折射率。最后,将上述实验结果与相关文献报道的太赫兹特征吸收峰、吸收系数以及折射率进行对比。实验显示：过期阿莫西林胶囊和复方氨酚烷胺片在有效频段0.2~0.9 THz内的平均折射率分别为1.90和1.85,这比相关文献分别报道的最小折射率1.92和2.05小;过期板蓝根颗粒和复方板蓝根颗粒在有效频段0.2~1.4 THz内的平均折射率均为1.84,这较相关文献报道的最大折射率1.797略大;过期阿莫西林胶囊的5个太赫兹特征吸收峰均出现,但幅值有所降低;过期复方氨酚烷胺片的3个太赫兹特征吸收峰仍然存在,但幅值也有所降低,且在1.50 THz附近出现新的太赫兹特征吸收峰;过期板蓝根颗粒在1.43 THz出现新的太赫兹强特征吸收峰,且吸收系数减小;过期复方板蓝根颗粒在1.43,1.48和1.54 THz出现3个新的太赫兹特征吸收峰,且吸收系数也减小。结果表明：过期阿莫西林胶囊、复方氨酚烷胺片、板蓝根颗粒和复方板蓝根颗粒的有效成分均有所减少,部分化学成分已经发生改变;过期阿莫西林胶囊和复方氨酚烷胺片等西药的折射率会增大,而过期板蓝根颗粒和复方板蓝根颗粒等中药的折射率会减小;通过折射率的变化和太赫兹特征吸收峰位置的不同以及新出现的太赫兹特征吸收峰,可以区分以上4种过期药品,由此可以为太赫兹光谱技术区分过期药品提供参考。     

电光聚合物在全光技术实现THz波产生与检测中的研究进展

研究和开发基于超短波和低能量激光系统的高振幅、宽频带的太赫兹系统一直是太赫兹应用领域的一个热点。与传统电光晶体材料相比,以电光聚合物薄膜作为太赫兹波产生和检测的最大的优势在于： 一方面电光聚合物不具有晶格结构相应的不存在声子的吸收和太赫兹折射率的散射问题,避免光谱间隙的产生;另一方面电光聚合物薄膜与已用于宽频太赫兹系统中的超薄电光晶体材料相比,更易于加工和处理。另外,可以自行设计得到低相位失配和高电光系数的电光聚合物材料,得到高效率和宽频带的太赫兹辐射源。可以预见,电光聚合物在这一领域的应用必将有宽阔的发展空间和学术研究意义。介绍电光聚合物的电光效应及二阶非线性生色团合成等相关理论问题基础上,综述了近二十多年来,电光聚合物在基于全光技术实现太赫兹波产生与检测系统中的研究进展,主要包括: 掺钛蓝宝石飞秒激光激发下,共聚型和主客体型电光聚合物实现太赫兹波产生与检测;光纤飞秒激光激发下,主客体型电光聚合物实现太赫兹波的产生与检测。     

基于LS-SVM和THz光谱技术的面粉中苯甲酸检测研究

面粉（小麦粉）是中国北方大部分地区的主食,苯甲酸是重要的酸型食品防腐剂,为了便于食品长期保存,往往会添加苯甲酸以便延长食品保存时间。但食用添加苯甲酸过量的小麦粉会对身体健康产生严重危害。太赫兹技术是一种新兴的检测技术,由于处于特殊的0.1～10 THz的太赫兹频段,在食品安全检测方面体现出了很强的应用潜力。主要致力于探索太赫兹光谱技术检测苯甲酸的合理性、可行性,利用太赫兹时域光谱技术对面粉中的食品添加剂苯甲酸进行实验研究。实验获取了面粉和苯甲酸的太赫兹时域光谱和频域光谱,其吸收系数显示苯甲酸的特征吸收峰在1.94 THz波段,面粉的太赫兹吸收系数几乎以一定的斜率增加,说明可以用THz-TDS（Terahertz time domain spectrum）技术对面粉中的苯甲酸进行特征识别。为建立面粉中添加剂苯甲酸的定量检测模型,实验获取了面粉中掺杂不同百分比（质量分数）苯甲酸的太赫兹时域光谱,计算得到吸收系数谱。实验发现吸收峰幅度的变化是与苯甲酸的含量成正比的,苯甲酸含量增加吸收峰幅度变大。首先探索了不同光谱预处理方法对太赫兹光谱的影响,采用如平滑校正、多元散射校正、基线校正和归一化等方法对原始光谱进行校正处理。校正之后,建立相应的PLS (partial least squares)模型以选择最优预处理方法。然后分别建立苯甲酸浓度和太赫兹吸收系数的MLR (multiple linear regression)、PLS和LS-SVM（partial least squares support vector machines）回归模型,并对比分析不同模型的优劣。将光谱数据归一化后建立的PLS模型更具有优势,预测相关系数R_p为0.979,预测均方根误差RMSEP为1.30%。LS-SVM与PLS和MLR模型相比,LS-SVM模型可以获得更好的建模结果,LS-SVM的预测相关系数R_p为0.987,预测均方根误差RMSEP为1.10%。利用MLR方法仅使用1.946和1.869 THz两个波段点进行建模,建模效果预测相关系数R_p为0.955,预测均方根误差RMSEP为1.90%。通过该研究为面粉中苯甲酸添加剂的无损检测提供了新的解决方案,也为其他类型的添加剂的检测提供了方法指导,对促进面粉行业的健康发展具有重要的意义。     

Terahertz real-time imaging with balanced electro-optic detection

We propose a method for two-dimensional terahertz (THz) real-time imaging which systemically integrates the THz balanced electro-optic sampling technique and the dynamic subtraction technique. The proposed method can effectively improve the signal to noise ratio and the spectrum measurement accuracy of the imaging system. Experiment results demonstrate the advantage of the method.     

基于太赫兹光谱的奶粉中葡萄糖及蔗糖定性定量检测方法

奶粉富含人体所需的五大营养物质,是婴幼儿主要的营养来源之一,奶粉中的营养成分对婴幼儿的生长发育具有重要影响,除乳糖外的糖类含量超标可能对婴幼儿健康产生不良影响。由于奶粉成分复杂,目前的色谱法和近红外光谱法检测技术都难以满足奶粉糖分快速无损检测的要求,因此亟须探索一种奶粉中葡萄糖、蔗糖含量快速无损检测方法。太赫兹波对不同大分子物质的吸收峰具有“指纹”特性,可利用该特性对不同的大分子物质进行识别。应用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）并结合化学计量学方法对奶粉中葡萄糖、蔗糖两种糖分的定性定量检测方法进行了研究。实验装置采用TAS7500TS太赫兹光谱系统,实验样品为不含糖的婴幼儿奶粉和纯度大于99%的葡萄糖、蔗糖晶体及不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、奶粉-蔗糖混合物,实验分别采集了3种纯品样品及15种不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、奶粉-蔗糖混合物样品的太赫兹时域信号,每个样品采集三次并取平均值作为其时域光谱信号,经快速傅里叶变换（FFT）得到各样品的太赫兹频域信号,再根据Dorney提出的光学参数提取公式计算得到各样品的吸收系数谱和折射率谱。最后分别基于两组混合物样品的吸收系数谱和折射率谱数据,采用偏最小二乘法（PLS）建立相应的定量分析模型,校正集和预测集样品比例为2∶1。实验结果表明,奶粉在太赫兹波段无明显特征吸收峰,葡萄糖和蔗糖分别在1.45,1.8,1.98,2.7 THz和1.5,1.9,2.6 THz频率处有较强的特征吸收峰,可根据两种物质的太赫兹指纹特征峰进行定性分析。不同梯度浓度的两组混合物的整体吸收峰位置与葡萄糖、蔗糖纯品太赫兹吸收峰位置基本一致,具有稳定的吸收特性。基于吸收系数谱和折射率谱数据建立偏最小二乘法模型,均可实现奶粉中葡萄糖和蔗糖的定量分析,且由折射率谱建立的葡萄糖、蔗糖定量回归模型效果均优于由吸收系数谱建立的模型效果,其中,奶粉-葡萄糖混合物中葡萄糖含量PLS模型的校正集相关系数（R_c）及均方根误差（RMSEC）分别为0.99和0.18%,预测集R_P及RMSEP分别为0.96和0.66%,奶粉-蔗糖混合物中蔗糖含量PLS模型的校正集R_c及RMSEC分别为0.96和0.55%,预测集R_P及RMSEP分别为0.99和0.25%,葡萄糖和蔗糖定量模型的预测效果均较为理想。研究结果表明THz-TDS技术可有效用于奶粉中葡萄糖和蔗糖定性定量分析,为运用THz-TDS技术开展奶粉掺假及品质快速检测方法研究提供参考。     

利用太赫兹时域光谱定性鉴别不同品种的苜蓿的研究

这项研究是利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术结合多元统计方法,对14种外表看起来极其类似的不同苜蓿牧草品种进行鉴定识别的可行性研究。通过实验测试获得苜蓿牧草品种在0.1～1.5 THz有效波段的吸收系数和折射率等光谱参数,并且测试光谱揭示不同种类的苜蓿牧草在时间延迟、吸收强度和折射率等物理参量的平均值上都有所不同。尽管以上提到的这些太赫兹特征差异意味着太赫兹时域光谱(THz-TDS)鉴定识别牧草品种是可行的,但是,由于没有特征吸收峰作为指纹谱识别依据,因此,本文利用多元统计方法聚类分析(CA)和主成分分析(PCA)在光谱参数和不同品种的苜蓿草种之间建立模型用以进行辅助验证,通过CA方法计算得到牧草间的欧氏距离以及通过PCA方法获得牧草的任何两个样本的PC1分值显示CA和PCA之间存在着很好的一致性,说明CA和PCA两种多样统计方法均能反映牧草间的差异。因此,太赫兹时域光谱技术结合多元统计方法能够成为一种有效的快速检测识别不同苜蓿牧草品种的方法,进而为将来建立牧草品种太赫兹光谱数据库奠定基础。