太赫兹时域光谱技术的变压器油低水含量检测

变压器的维护至关重要。变压器油中水含量的检测是变压器维护中很重要的一部分。水在太赫兹频段独特的分子键振动模式使其对太赫兹波具有强烈的吸收性。利用太赫兹时域光谱技术对变压器油进行水含量检测,获得了不同水含量变压器油的吸收系数和折射率,结合相关理论模型对获得的参数进行了分析验证。试验结果表明,变压器油的吸收系数和折射率与水含量呈线性关系。     

植物油和动物脂肪在THz波段的吸收和色散

由超短激光脉冲产生的THz脉冲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.文章应用THz光谱技术研究了5种植物油和两种动物脂肪的THz光谱，得到了这些材料在0．2—1．6THz频率范围的折射率和吸收系数.结果表 明，不同种类的油脂具有不同的折射率，其中植物油的折射率随频率的增加而略有降低，其 值在1．46—1．66之间.吸收系数在0．2—1．2THz随频率的增加而增大.动物脂肪的折射率 随频率变化基本不变，并且随温度升高而增大，其值在1．4—1．52之间.吸收系数在0．2— 1．2THz随频率的增加而增大.该研究结果对于THz时域光谱技术应用于生物成像及生物医学 有重要的意义. 关键词： THz光谱技术 折射率 吸收系数 植物油 动物脂肪     

利用国内生长的有机晶体DAST作为THz源的研究

利用时域光谱技术分别测量了通过光整流法在国内新生长的有机晶体DAST和国际常用的高效能THz晶体ZnTe中产生的THz脉冲的时域光谱,也测量和分析了有机晶体DAST在THz波段的色散和吸收特性,并通过热辐射探测计(4.2 K Si-bolometer)测量了THz脉冲的绝对能量。结果表明,国内新生长的有机晶体DAST的确是一种高效率的THz产生晶体,优化生长条件后将可得到更高的产生效率。     

Measurement of Refractive Index for High Reflectance Materials with Terahertz Time Domain Reflection Spectroscopy

A method to measure the refractive index for high reflectance materials in the terahertz range with terahertz time domain reflection spectroscopy is proposed. In this method, the THz waveforms reflected by a silicon wafer and high reflectance sample are measured respectively. The refractive index of the silicon wafer, measured with the THz time domain transmission spectroscopy, is used as a reference in the THz time domain reflective spectroscopy. Therefore, the complex refractive index of the sample can be obtained by resorting to the known reflective index of the silicon and the Fresnel law. To improve the accuracy of the phase shift, the Kramers-Kronig transform is adopted. This method is also verified by the index of the silicon in THz reflection spectroscopy. The bulk metal plates have been taken as the sample, and the experimentally obtained metallic refractive indexes are compared with the simple Drude model.     

反式油酸的太赫兹光谱研究

应用太赫兹时域光谱技术研究了反式油酸在THz波段的光学特性,在室温氮气环境下获得了0.5～2.5 THz范围内波段的吸收光谱和折射率谱,结果表明反式油酸在此波段内存在多个特征吸收峰,样品的平均折射率为1.43.采用密度泛函理论的B3LPY方法对反式油酸分子的结构和振动频率进行了模拟,并采用Gaussian View软件...     

基于太赫兹时域光谱技术的煤岩识别方法研究

煤岩识别一直是制约煤矿无人化开采的关键问题之一。传统的人工采煤因为工作环境极其复杂,很难精准地找到煤岩的分界面,容易造成欠切割或过切割现象。太赫兹光谱技术作为一种无损探测技术,能够反映出被测物体的物理和化学信息,可以成为研究煤岩识别的有效方法。采用太赫兹时域光谱技术与多元统计法—聚类分析（CA）和主成分分析（PCA）相结合的方法来识别不同种类的煤岩。通过透射式太赫兹光谱仪获得六种煤岩样品的太赫兹光谱,对其进行FFT等一系列数学计算可以得到各种样品的折射率、吸收系数以及介电常数。计算结果表明不同种类的煤岩在折射率、吸收系数上都存在差异。分析各类煤炭样品的折射率和吸收系数与样品的各组成成分含量之间的关系,可以发现碳含量是影响其样品折射率大小的因素之一,灰分含量是影响其样品吸收系数大小的因素之一。聚类分析中两类样品的欧氏距离与主成分分析中的第一主成分（PC1）得分都能反映煤岩样品之间的相似性和相异性,并且CA与PCA的结果保持一致。分别将各类样品在0.5～2.5 THz频率范围内的折射率、吸收系数与CA和PCA结合,组成太赫兹数据与煤岩之间的模型。分析表明：根据不同样品之间的相似性,两种模型中六种煤岩样品均被分为两类;在各种样品的吸收系数与CA-PCA组成的模型中,四种煤炭被聚集在一起,并且石英砂岩（GSR-4）具有很好的独特性：石英砂岩拥有最小的PC1得分值以及石英砂岩与第二类之间的欧氏距离最大,为219.03。由此可见采用太赫兹技术与多元统计方法结合,可以实现煤岩的准确识别,识别准确率可以达到100%。     

和田玉的太赫兹光谱研究

用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术研究材料的光学性质是太赫兹应用领域的一个研究热点,国内已经在毒品,爆炸物的无损检测,有机物大分子的识别方面取得了大量成果。文章结合THz-TDS技术的特点及其在物质成分识别方面的应用,测得三种和田玉(羊脂白玉,青花玉,青玉)在0.2~2.6 THz的吸收系数和折射率曲线,不同种类的和田玉吸收系数差别很大,折射率在0.2~2.6 THz波段为2.4~2.7。实验结果初步说明,通过太赫兹波段的吸收谱和折射率的特征差异与种类之间的关系判断和田玉的种类是可行的,为无损和田玉种类鉴别提供一种新型的方法。     

不同种类岩石的太赫兹光谱特征研究

准确认识不同种类的岩石特征对地质构造、结构与年代的判断至关重要。常规光学显微手段虽然可以对岩石的颜色与表面形貌进行直接观测,但是对岩石种类的判断往往凭靠经验,一些颜色相近的矿物容易混淆,所得结果并不准确。光谱方法能够在不同频段给出样品的多个光学参数信息,通过建立光学参数与样品自身物性的联系,可以从多个维度确定样品的性质,从而有望实现对不同矿物成分与含量定性、定量评价。太赫兹光谱具备一定的穿透能力,能够透过一定厚度的岩石,是研究岩石物理性质的合理手段。基于太赫兹光谱技术,对取自不同地区的花岗岩、灰岩、砂岩和油页岩样品进行测试,分别计算得到每个样品的等效折射率n、衰减系数a,并以a为横坐标、n为纵坐标作图,结果表明,相同岩性岩石的n与a基本呈线性相关关系,而对于不同类型的岩石,其n随a的线性变化趋势存在明显区别。进而研究了岩石中的组成、结构等信息与其太赫兹光谱响应的联系,分析了不同岩性岩石的光谱响应机制,结果表明：花岗岩与灰岩的结构较为致密,其矿物组成是影响太赫兹光谱响应的主要因素,利用太赫兹参数能够估算岩石中铁、镁元素的相对含量;砂岩的成分较为单一,太赫兹光谱响应受孔隙度的影响;而对于油页岩来说,由于有机质具有强吸收、低折射率的特点,其有机质含量越高,折射率越低,对太赫兹吸收越强。结果表明,太赫兹光谱技术有望成为岩石物理性质现有研究手段的合理补充,为其评价、分析提供新技术、新指标,有着极其光明的应用前景。     

基于太赫兹光谱技术的光学系统设计及应用

太赫兹脉冲信号在频域上具有“指纹频谱”特性,利用该性质可以对物质进行定性分析。借助Zemax软件的光学分析与优化功能,设计了二次非球面TPX平凸透镜,提高了透镜对太赫兹波束的聚集能力;采用平凸透镜设计了太赫兹波束整形光学系统,并将该光学系统用于太赫兹时域光谱系统中,对盐酸莫西沙星和左氧氟沙星进行太赫兹光谱测试,经过算法处理后得到二者在频域上的吸收系数与折射率曲线。测试结果表明:左氧氟沙星的折射率在0.1 THz～3.5 THz波段要比盐酸莫西沙星高,但是盐酸莫西沙星的折射率变化更加平缓;盐酸莫西沙星在1.03 THz、1.92 THz、2.58 THz、2.84 THz处具有明显的吸收峰,左氧氟沙星在1.35 THz、1.96 THz、2.52 THz、2.73 THz处具有明显的吸收峰。     

水合TiO2的太赫兹特性和介电动力学研究

用太赫兹时域光谱技术研究不同加热时间后水合TiO₂在0.2～1 THz波段的THz时域谱、频域谱、吸收谱、折射率谱和复介电常数。结果表明水合TiO₂在THz波段出现明显吸收峰,随加热时间增加,含水量降低,吸收系数减小;样品折射率变化位置与吸收峰位置相对应。水合TiO₂在太赫兹波中的电极化响应与频率不存在明显的关系,介电损耗随频率的升高先降低后趋于稳定,介电响应均随加热时间延长而减弱。     

环氧树脂胶的太赫兹光谱特性研究

环氧树脂是纤维增强复合材料加工中的一种重要的胶粘剂,太赫兹时域光谱技术已成为纤维增强复合材料无损检测的有力补充手段。固化温度是环氧树脂的重要参数之一,不同的固化温度会影响环氧树脂胶的性能,因此采用太赫兹时域光谱技术分别对室温和高温下固化的环氧树脂胶的太赫兹透射光谱特性进行了系统研究,计算得到了不同温度下固化的环氧树脂胶的折射率和吸收系数,并进行了对比分析。研究表明,由于室温下固化的环氧树脂样本基本没有气泡,而高温下固化的样本存在微量气泡,气泡的存在降低了样品的密度,因此室温下固化的环氧树脂胶样品的折射率和吸收系数均大于高温下固化的样品。在同种固化条件下制备的不同样品间折射率差别较小,同时,室温下固化不同样品间的吸收系数差别亦较小,但高温下固化样品间的吸收系数在0.6～1.5 THz差别逐渐变大,这主要是因为高温下制备的不同样本间的气泡分布不均匀,即密度分布存在差异。室温和高温下固化样品的吸收系数在整体上均随着频率的增加而增加,并且没有明显的吸收峰。此外,由于法布里-珀罗干涉效应的存在,导致有些厚环氧树脂样本的能量透过率在共振峰处要远大于薄样本。该研究对纤维增强复合材料的太赫兹无损检测具有重要的研究意义。     

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。     

拉西地平的太赫兹光谱实验研究

测量了高纯拉西地平(98%)和拉西地平口服药片(2%)0.5~1.8 THz的太赫兹反射时域信号,并分别提取出二者的吸收谱和折射率谱。通过将纯样品的吸收峰位与CASTEP晶体软件计算得到的吸收线位置进行比较,并用Lorentz线型函数对其中位置相近的吸收峰进行拟合,得到了拉西地平的指纹谱,并从实验上确定了拉西地平的六个特征频率,这些频率分别为0.62,0.78,1.07,1.28,1.63和1.76 THz;由于口服药片中添加了其他大分子物质作为辅料,这些物质带来的吸收本底会对拉西地平的特征峰的识别造成干扰,因此,特征吸收峰数量减少至四个,它们分别是0.62,0.78,1.28和1.63 THz;另外,纯样品和口服药片的折射率谱存在较大差异,这也与口服药中添加的辅料有关。尽管实际的拉西地平口服药片中含有的拉西地平的成分很低,但是,太赫兹指纹谱依然可以将拉西地平的特征频率识别出来。因此,太赫兹时域光谱技术对拉西地平药品的成分检测是十分有效的。     

The terahertz spectrum detection of transgenic food

This paper presents the optical characteristic of the four transgenic foods in the terahertz (THz) by means of electro-optic sampling. The transmission spectra and complex refractive index of the four transgenic foods are obtained. This paper finds that transgenic maize (TGM), transgenic rice (TGR), transgenic soybean (TGS) and transgenic potato (TGP) all have absorption within the frequency range of 0.2 and 2.5 THz. It can be seen that the TGM and TGR have obvious absorption peaks at 1.08 and 1.82 THz respectively, the TGS has a plurality of absorption peak in this frequency band, compared to the other three samples, and the TGP is slow. The unique absorption properties in THz of four transgenic foods show that the time-resolved terahertz spectroscopy can be applied to detect and identify transgenic food.     

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。     

小麦品质的太赫兹波段光学与光谱特性研究

采用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS),以储藏小麦为研究对象,研究了霉变、虫蛀、发芽等小麦与正常小麦样品在0.2～1.6 THz波段的光学与光谱特性,采用傅里叶变换得到被测样品的频域光谱,并计算获得THz吸收系数和折射率等光学参数。结果表明,不同品质小麦具有不同的折射率和吸收系数,其中正常小麦比霉变、虫蚀和发芽小麦的吸收系数和折射率都高,且吸收系数在有效波段随频率的增加而增加,进而可以根据其在THz波段的特征谱进行判别。THz-TDS在小麦品质检测中的应用,为该技术在储粮品质检测和分析中提供新的实验方法,具有重要的应用前景。     

Terahertz-dependent evaluation of water content in high-water-cut crude oil using additive-manufactured samplers

The evaluation of water content in crude oil is of significance to petroleum exploration and transportation. Terahertz (THz) waves are sensitive to fluctuations in the dipole moment of water. However, due to the strong absorption of water in the THz range, it is difficult for the THz spectrum to determine high water content with the common sampler. In this research, micron-grade samplers for THz detection were designed and manufactured using additive manufacturing (AM) technology. Oil-water mixtures with water content from 1.8% to 90.6% were measured with the THz-TDS system using sample cells. In addition, a detailed analysis was performed of the relationships among THz parameters such as signal peak, time delay, and refractive index as well as absorption coefficient and high water content (>60%). Results suggest that the combination of THz spectroscopy and AM technique is effective for water content evaluation in crude oil and can be further applied in the petroleum industry.     

IR Fourier Spectroscopy in Vivo of Human Skin during Its Ablation on Exposure to YAG:Er Laser Radiation and Polarization of the Light Scattered by the Integument

We consider the possibility of monitoring the process of human skin ablation on exposure to pulsed IR laser radiation with the use of the polarization and IR Fourier spectroscopy of disturbed total internal reflection. The laws of the change in the content of water and proteins in the surface layers of skin as a result of cyclic laser effect have been discovered. The interrelation between the degree of polarization of the backward scattered probe radiation with the wavelength corresponding to the maxima of absorption of an oxygenated form of hemoglobin and the index of erythema occurring due to laser action has been established.     

基于LabVIEW的太赫兹时域光谱分析软件

针对目前太赫兹光谱仪的数据采集和数据处理软件不能兼容的情况,设计了一个基于LabVIEW软件平台的THz时域光谱分析软件。主要研究了THz时域光谱系统的反射式以及透射式样品光学信息提取算法、支持向量机分类算法、以及偏最小二乘等分析算法以及它们的LabVIEW实现。该软件采用全LabVIEW代码实现,能够实现样品光学信息提取,物质分类识别以及多组分样品浓度分析,并且具有很高的移植性,可扩展性,与数据采集软件具有很好的兼容性。利用该光谱分析软件,分析了三种塑化剂的THz时域光谱信号,得到了它们在THz波段的折射率和吸收系数, 结果表明三种塑化剂可以用THz时域光谱完全区分,软件运行稳定可靠。     

Terahertz Radiation Transport in Photonic Glasses

Multiple scattering of electromagnetic (EM) waves arises in disordered media with a refractive index varying on the scale of the wavelength. The diffusion approximation is a powerful tool to treat multiple scattering as a photon random walk, neglecting resonant phenomena. However, as the light intensity varies on a scale much smaller than the transport mean free path, resonances may occur in media formed by finite-size scatterers and break the diffusion approximation. The energy and phase velocity are very useful tools to reveal the onset of the resonant transport regime. In this paper the study of the propagation of terahertz (THz) waves through 3D random media by employing terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is addressed. Specifically, measurements of the electric field transmitted by samples of different thicknesses made of 1 mm diameter silica spheres dispersed in a paraffin matrix at different filling fractions are reported. This investigation has provided an accurate measurement of the EM field phase and, hence, information on the radiation propagation velocity that has enabled the first observation of a photonic glass at the THz range.