聚合物载体中水杨酸晶体的太赫兹极化率测定

极化率作为材料的重要微观属性,与其呈现出的多种宏观属性等紧密相关,在新型药物及功能材料的设计中扮演着关键角色。对于微观结构存在复杂分子间作用的物质体系,获取其太赫兹波段的动态极化率具有重要意义。极化率的实验测定建立在其本征介电常数的准确测定之上,太赫兹时域光谱系统凭借其相干探测属性,可直接提供太赫兹波在穿透样品后的相位变化信息,用于精确测定样品的介电常数。当样品由待测物纯物质组成时,实验测得的介电常数可直接用于计算极化率。但对于大多数的有机晶体,其自身对太赫兹波的特征吸收以及与颗粒尺寸与波长相当造成的散射,使其纯样品的太赫兹时域光谱表征受到系统信噪比的限制,通常需要将待测物均匀分布于对太赫兹波透明且可塑性极强的聚合物载体中。聚合物载体的使用导致实验直接测定的混合物介电常数中也包含了聚合物的介电影响,无法直接用于计算待测物质的极化率。针对这一问题,将嵌于聚合物载体中的有机晶体整体等效为聚合物、空气气隙和待测样品三组份混合介质模型,结合各组份体积占比以Landau, Lifshitz and Looyenga有效介质模型从实验测得的混合物介电常数中移除聚合物和空气气隙的影响,获取待测物的太赫兹本征介电常数,从而进一步结合Clausius-Mossotti关系式计算其太赫兹极化率。选取水杨酸晶体为研究对象,利用所提出的理论方案,从聚乙烯和聚四氟乙烯两种聚合物载体三种浓度混合物的原始介电常数中,提取出了具有高度一致性的本征介电常数和太赫兹极化率,验证了方法的有效性,并利用实验结果首次报道了水杨酸晶体的太赫兹极化率,在聚乙烯和聚四氟乙烯载体中的测定值分别为(17.2±0.2)和(17.6±1.0)Å3。     

环状烯烃聚合物基底材料的太赫兹复介电常数和损耗特性研究

太赫兹时域光谱(THz-TDS)已被用于研究包括液体,半导体,爆炸物和气体等多种材料。然而自由空间太赫兹光谱系统存在着一些检测局限性,如微量物质难以被检测、系统尺寸难以实现微型化、空气中水的强烈吸收引起的信号衰减较大等问题。为了解决这些问题,研究人员设计了基于金属波导传输线结构的太赫兹芯片集成器件,通过飞秒红外激光激励传输线上的光电导材料实现太赫兹波的产生和检测。然而,在这些芯片上传输的太赫兹信号的频谱宽度很难达到自由空间太赫兹时域光谱系统的频带宽度,一个重要原因是由于传输信号受到随频率增加的传输线损耗所导致的衰减。通常这些损耗主要由三个部分组成：导体损耗,介电损耗和辐射损耗。研究表明：使用低介电常数材料作为共面传输线的衬底,将减少这种介电常数的失配,从而避免冲击波辐射损失;使用具有低损耗角正切的基底材料可以减少太赫兹传输线的损耗。环烯烃聚合物(COP)是一种具有环状烯烃结构的非晶性透明共聚物的材料,在太赫兹波段具有很高的透射率,为了探究这种材料是否能用于共面传输线的衬底,需要通过太赫兹时域光谱技术和介电函数理论分析它在太赫兹频段的光谱和介电特性,以及对这种材料作为基底时用在太赫兹传输线的传输特性进行仿真计算分析。使用透射式太赫兹时域光谱系统,对三种COP、熔融石英和PMMA进行了光谱测试,提取了它们的透射时域信号,采用Dorney和Duvillaret等提出的物理模型计算复介电函数。实验表明：与其他两种材料相比,COP材料在1 THz处的透过率更高,可以达到94.5%,同时介电损耗和介电常数更低,其中介电损耗在1 THz处达到4.31×10-4,因此将COP作为传输线基底材料时能有效减少基底的介电损耗。同时COP材料的介电常数在0.2～2.8 THz范围内维持在约2.3的水平,也有效减弱了辐射损耗。对实验材料基底组成的共面波导传输线进行了HFSS模拟,获得了它们的正向传输衰减系数(S₂₁ parameter),并对由基底引起的介电损耗和辐射损耗进行了计算分析。模拟和计算结果也表明在同一传输线结构下,与其他材料相比COP作为基底时的损耗更小。通过太赫兹时域光谱法与介电响应分析,表明了在太赫兹波段具有较低介电常数的COP材料更适合作为太赫兹传输线结构的基底材料,它可以有效的降低因基底引起的介电损耗和辐射损耗。这为太赫兹传输线的设计过程中衬底材料的选择与应用提供了实验和理论依据。     

小波变换在太赫兹时域光谱分析中的应用

随着超快激光技术的发展及其人们对太赫兹(THz)电磁波波段与脉冲光源认识的进一步深入,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术作为一种新的、快速发展的光谱分析方法在许多领域备受关注。利用太赫兹时域光谱技术在空气环境下测量样品时,样品的太赫兹光谱会因空气中水蒸气的影响而出现振荡现象。文章利用太赫兹时域光谱分析技术分别在氮气和空气环境下测量了七种样品在0.2～1.9太赫兹波段的光谱,并以氮气环境下的太赫兹光谱为参考,利用小波变换对空气环境下测量的数据进行了处理,消除了太赫兹光谱中水蒸气吸收造成的影响,实验结果证明了该方法的可行性,在此基础上,还对其中四种样品做了成像和识别,并得到了较好的结果。     

温度对PEEK太赫兹光谱特性影响研究

聚醚醚酮（PEEK）由于其耐热、耐腐蚀、耐辐照、抗疲劳、电绝缘性等优良性能,在许多领域可以代替金属、陶瓷等传统材料而得到广泛应用。特别是随着5G技术的发展和应用,PEEK已经成为5G热门材料。在PEEK材料实际应用中,温度的影响是一个非常重要和关键的因素。主要研究了PEEK太赫兹光谱以及温度对PEEK太赫兹光谱特性的影响。通过利用太赫兹透射光谱技术,同时结合控温装置,在温度从25～300 ℃均匀上升过程中,每间隔5 ℃测试得到PEEK片状样品的太赫兹时域光谱数据,利用光学参数提取算法可以得到PEEK的吸收系数、介电常数等光学参数,进一步得到特定频率下光学常数随温度的变化趋势,从而对材料进行表征和分析。在0.5～4 THz有效光谱范围内,实验结果表明,在常温（25 ℃）下,PEEK在3.5 THz具有一个明显的特征吸收峰。在25～300 ℃这个温度范围内,在1 THz频率下,PEEK的吸收系数、介电常数相对于室温分别有4.38%和5.0%的波动,同时PEEK在常温下在1 THz的介电损耗正切值为2.5×10-3,相比于PMMA和PE等高分子材料,PEEK的介电损耗正切值要低得多,且在升温过程保持相对稳定,表明PEEK在太赫兹频段的光谱特性具有很好的热稳定性和较低的介电损耗。研究结果表明,太赫兹光谱技术可以结合温控装置,通过材料的光学参数对高分子材料热稳定性进行研究和表征,同时还可以得到材料在不同温度下的介电性质。太赫兹光谱技术具有快速、高效、无标记、无损伤等优势,只需要压片就可以对固体样品进行测试,对于研究材料内部缺陷、稳定性以及材料的鉴别等具有很好的研究意义。同时本实验的测试数据可以为PEEK材料在不同温度下5G和6G等高频通信应用提供参考。     

利用太赫兹时域光谱技术对环三亚甲基三硝胺（RDX）振动谱的研究

 针对爆炸物及其相关成分的感测科学和技术对于国土安全和国家防御有着至关重要的地位,对单质炸药环三亚甲基三硝胺（RDX）进行了太赫兹（THz）谱的实验测量和理论分析。利用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）给出了这些炸药样品在0.2THz～2.5THz范围内的折射率和吸收系数。利用密度泛函理论进行的理论模拟与实验结果符合较好。结果发现,单质炸药RDX具有特征吸收峰,利用THz-TDS技术可以对单质炸药进行检测和识别。     

太赫兹波段超材料在生物传感器的应用研究进展

超材料对电磁场的局域增强以及对周围环境的介电性质敏感等特性,可用于无标记生物检测,因而越来越受到国内外的学术关注,特别是太赫兹波段的超材料生物传感器。总结了近年来太赫兹波段超材料在生物传感器方面取得的进展。首先介绍了超材料生物传感器的基本原理,接着分析和讨论了衬底材料和厚度的选择、超材料结构对传感器灵敏度的影响。分析表明,通过优化结构、采用低介电常数和损耗低的薄衬底,能进一步提高生物传感器的灵敏度, 并且多种物质在太赫兹波段都有直接的电磁响应特征,因此利用太赫兹波段超材料实现无标记生物检测具有很大的应用潜力。最后初步探讨了该生物传感器的发展趋势与前景。     

基于连续波太赫兹频域光谱系统的样品折射率测定方法

经过二十年的发展，太赫兹光谱技术已经在生物医疗、工业质检、国防安全、新材料研发等多个领域证明了其强大的应用潜力，然而传统太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对飞秒激光器的依赖，严重限制了太赫兹技术在实际工业领域中的应用，近年来，以商业成熟的中红外激光混频作为产生与探测机制的太赫兹频域光谱技术(THz-FDS),凭借其高集成度、低成本以及高分辨率等适用于实际应用的特点得到了广泛的研究关注。但是，作为新型光谱技术，THz-FDS的数据处理算法与传统THz-TDS相比仍处于起步阶段，此前所开展的物质表征研究大多局限于信号幅值的利用，而其相干探测机制所蕴含的太赫兹波相位信息并未得到充分挖掘，与相位信息紧密相关的样品折射率、介电常数、极化率等关键参数因此无法准确获取。从THz-FDS的相干探测原理出发，结合实测数据，详细阐述了太赫兹波相位信息与THz-FDS原始光电流数据周期振荡之间的联系，建立了由原始光电流数据振荡周期求取样品折射率的理论模型。在此基础上，指出了传统零频基点求取折射率方法在低频段表现欠佳的原因，提出了所改进的双基点折射率求取算法。为了验证所提出的折射率测定方法的可靠性，选取了在...     

太赫兹时域光谱的药物多组分同时定量测定

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术结合化学计量学方法对多组分药物混合物中药物活性成分(API)和药用辅料的含量进行了定量分析研究。用THz-TDS系统测量了无水茶碱、乳糖一水合物和硬脂酸镁三元药物混合物及对乙酰氨基酚、乳糖一水合物、微晶纤维素和可溶性淀粉四元药物混合物的太赫兹吸收光谱,并采用主成分回归(PCR)和偏最小二乘回归(PLS)两种多元校正方法分别建立了太赫兹吸收谱与多元混合物各组分含量的定量回归模型,同时获得了混合物中药物活性成分和药用辅料的含量。PLS回归取得更好结果,其中三元混合物两组分含量的PLS定量模型校正及预测相关系数R均高于0.98,四元混合物中对乙酰氨基酚、乳糖一水合物、微晶纤维素和可溶性淀粉含量的PLS定量模型校正及预测相关系数R均分别高于0.93,0.98,0.63和0.86。结果表明,THz-TDS技术结合化学计量学方法建立定量分析模型能够实现对多元混合物成分含量的无损非破坏定量分析,在药物分析等领域将有广阔的应用价值。     

特征谱区筛选在多元混合物的太赫兹光谱定量分析中的应用

用特征谱区筛选法结合太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对多元混合物成分含量进行了定量分析研究。实验利用太赫兹时域光谱系统测量了由乳糖一水合物(LAC)、对乙酰氨基酚(APAP)、可溶性淀粉(starch)以及微晶纤维素(MCC)四种材料组成的混合物样品的太赫兹吸收光谱,并分别尝试采用常规区间偏最小二乘(iPLS)、向后区间偏最小二乘(biPLS)、联合区间偏最小二乘(siPLS)和移动窗口偏最小二乘(mwPLS)四种特征谱区筛选法对多元混合物的太赫兹吸收光谱进行特征子区间优选,建立了太赫兹吸收谱与四元混合物中乳糖一水合物含量之间的定量回归模型。通过比较四种谱区筛选算法模型及全光谱偏最小二乘(PLS)模型所得结果,表明采用移动窗口偏最小二乘法建立的谱区筛选模型得到的结果相对最优,其交互验证均方根误差(RMSECV)、预测均方根误差(RMSEP)、校正集相关系数(R_C)和预测集相关系数(R_P)分别为0.980 3,1.114 1,0.996 0和0.995 1。实验结果表明,采用特征谱区筛选方法可以有效选择多元混合物太赫兹吸收光谱的特征区间,提高模型精度和降低模型复杂性,为实现多元混合物成分含量的快速检测提供了一种有效的方法。     

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。     

THz wave sensing for petroleum industrial applications

We present the results of terahertz (THz) sensing of gasoline products. The frequency-dependent absorption coefficients, refractive indices, and complex dielectric constants of gasoline and xylene isomers were extracted in the spectral range from 0.5–3.0 THz. The THz spectra of gasoline (#87, #89, #93) and related BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene) compounds were studied by using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) in the 1.5–20 THz (50–660 cm⁻¹). The xylene isomers, which are used as antiknock agent in gasoline were determined quantitatively in gasoline in the THz range. Our investigations show the potential of THz technology for the petroleum industrial applications.     

The effect of polymer type on electric breakdown strength on a nanosecond time scale

Based on the concepts of fast polarization,effective electric field and electron impact ionization criterion,the effect of polymer type on electric breakdown strength(E BD) on a nanosecond time scale is investigated,and a formula that qualitatively characterizes the relation between the electric breakdown strength and the polymer type is derived.According to this formula,it is found that the electric breakdown strength decreases with an increase in the effective relative dielectric constants of the polymers.By calculating the effective relative dielectric constants for different types of polymers,the theoretical relation for the electric breakdown strengths of common polymers is predicted.To verify the prediction,the polymers of PE(polyethylene),PTFE(polytetrafluoroethelene),PMMA(organic glass) and Nylon are tested with a nanosecond-pulse generator.The experimental result shows E BD(PTFE) > E BD(PMMA) > E BD(Nylon) > E BD(PE).This result is consistent with the theoretical prediction.     

Measurement of the dielectric constant of thin films by terahertz time-domain spectroscopic ellipsometry

We present a reflection-type terahertz time-domain spectroscopic ellipsometry (THz-TDSE) technique for measuring the complex dielectric constants of thin-film materials without replacement of the sample. THz-TDSE provides complex dielectric constants from the ratio of the complex amplitude reflection coefficients between p- and s-polarized THz waves. The measured dielectric constants of doped GaAs thin films show good agreement with predictions of the Drude model, even though the film thickness is of the order of a tenth of the penetration depth of the THz waves. In addition, we demonstrate the measurements of soft-phonon dispersion in SrTiO(3) thin films deposited on a Pt layer. The obtained dielectric constants agree well with the predictions of a generalized harmonic oscillator model.     

不同厚度衬底上矩形孔金属结构的太赫兹透射特性数值分析

利用时域有限差分法对不同材料和厚度衬底上矩形孔金属结构太赫兹（THz）波的透射特性进行了数值分析。研究表明：矩形孔金属阵列对THz光谱具有频率选择特性,这为太赫兹滤波功能器件的开发提供了基础。在实际应用中,这种金属微结构常常需要制备在某种衬底上,而衬底材料及厚度无疑会对其太赫兹透射特性带来影响。研究了不同衬底材料和衬底厚度的矩形孔金属结构太赫兹透射性质,通过数值模拟研究发现,对于同一种衬底材料,随着衬底厚度的增加,矩形孔金属结构的透射峰峰位向低频移动。比较高阻硅和聚四氟乙烯两种衬底材料发现,高介电常数的硅衬底引起的透射峰移动更为明显。     

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。     

TERAHERTZ QUALITY CONTROL OF POLYMERIC PRODUCTS

We report on experiments that evaluate the potential of terahertz (THz) time-domain spectroscopy (TDS) for quality control of polymeric compounds. We investigate specimens out of a polyethylene compound with silver-coated titanium dioxide nanospheres and a glass-fiber reinforced epoxy composite. We further examine an industrial polymer product produced by injection molding. Our data demonstrates that THz imaging is a powerful tool for contactless quality control in the polymer industry.     

The effect of polymer type on electric breakdown strength on a nanosecond time scale

Based on the concepts of fast polarization, effective electric field and electron impact ionization criterion, the effect of polymer type on electric breakdown strength (E_BD) on a nanosecond time scale is investigated, and a formula that qualitatively characterizes the relation between the electric breakdown strength and the polymer type is derived. According to this formula, it is found that the electric breakdown strength decreases with an increase in the effective relative dielectric constants of the polymers. By calculating the effective relative dielectric constants for different types of polymers, the theoretical relation for the electric breakdown strengths of common polymers is predicted. To verify the prediction, the polymers of PE (polyethylene), PTFE (polytetrafluoroethelene), PMMA (organic glass) and Nylon are tested with a nanosecond-pulse generator. The experimental result shows E_BD (PTFE) > E_BD (PMMA) > E_BD (Nylon) > E_BD (PE). This result is consistent with the theoretical prediction.