基于THz技术的农产品品质无损检测研究

农产品品质备受关注,而由品质变化引发的农产品安全事故频繁,开发农产品品质的快速无损检测技术成为研究热点。太赫兹波(THz)是介于微波与红外之间的电磁辐射,由于其独特的优势,具有重要的科学研究价值。近年来,随着THz辐射源和探测器研究的不断突破,大大丰富了THz的应用研究。与其他检测技术相比,作为一种新型检测技术,THz辐射具有安全和高信噪比等重要特征,能获得传统检测方法无法获得的物理、化学和生物等信息,在质量安全检测与控制、生物医学和通信等领域的应用前景广阔。首先介绍了THz波的概念和主要性质,接着对THz技术在农产品品质检测应用上的研究进展进行综述,分析THz探测技术存在的问题,对THz技术的应用潜力进行展望,最后提出THz技术在储粮品质检测中新的应用和广阔前景。     

THz技术在农产品/食品品质检测中的应用

农产品/食品的质量和品质问题越来越受人们关注。探索实际可行的农产品/食品的无损检测与品质评估技术正在成为研究热点。太赫兹(THz)辐射是位于中红外和微波波段之间的一段电磁波,具有非常重要的科学研究和应用价值。长期以来由于缺乏可行的THz波产生方法与探测手段,该波段相关领域的研究滞缓。THz光谱传感和成像技术是THz波的两个主要应用技术。THz光谱检测技术作为一种新型检测技术能够获得传统检测无法获得的信息。近十几年来,THz波用于来研究固、液、气相等各种物质的光电特性、分子内部振动和组成信息,在生物分析、医疗诊断、安全检测、环境控制等领域,THz技术显示出广阔的应用前景。文章介绍了THz波的主要性质、THz波检测技术的特点,论述了THz技术在农产品、食品质量与品质检测中的最新进展及其应用的潜力。     

太赫兹半导体器件与应用——纪念刘惠春教授

文章是以作者和刘惠春教授多年合作的研究工作为基础写成的,主要内容为太赫兹(THz)半导体器件及其通信和成像应用,以此深切缅怀刘惠春教授。近十年来,THz科学与技术已取得了长足进步,它在物理学、材料科学、生命科学、天文学、信息技术和国防安全等多个领域的应用也已初现端倪。在这些应用中,半导体THz器件的发展起着举足轻重的作用。文章着重介绍了作者近年来在半导体THz器件与应用方面的研究进展,主要内容包括基于负有效质量的电子学THz振荡器、飞秒激光泵浦半导体THz辐射源、基于量子阱子带间跃迁的THz量子级联激光器和THz量子阱探测器,以及基于这些器件的THz无线通信和成像应用研究。此外,文章还对未来THz技术的发展进行了简要的探讨。     

太赫兹通信技术研究进展*

对未被分配的空闲频谱资源的需求增长,将不可避免地使无线通信系统的工作频率向更高频率的太赫兹(THz)频段发展。大数据的瞬时传输将采用更高的载波频率,以满足高传输速率的需求。大量的研究表明,THz技术在通信领域的应用与当今比较成熟的微波通信和光纤通信相比,具有更多的优点,比如说,传输速率高,方向性好,安全性高,散射小,以及穿透性好等。文章总结了THz通信的特点及其适用领域,综述了近几年国际上THz通信研究最新进展,给出了未来THz通信系统可能的发展趋势。     

外差式相干探测时域光谱仪对磷化铟（InP）晶片的超宽频带太赫兹光谱的探测

磷化铟（InP）属于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料, 在毫米波的应用中展示出了高性能,在非线性太赫兹器件应用上具有很大的潜力。以前关于InP的研究主要集中于太赫兹频率在0.1～4 THz的频率范围内,在4～10 THz频率范围内InP的太赫兹光学数据还是空白。该研究利用空气等离子体相干探测太赫兹波的时域光谱系统研究了无掺杂的InP晶片在超宽THz频率范围（0.5～18 THz）内的光学特性, 实验中用电离的空气作为太赫兹的发射器和探测器, 利用可以调制的局部偏压诱导二次谐波产生,使在气体中太赫兹波的相干探测成为可能,明显提高了系统的动态范围和灵敏度。产生的太赫兹频谱宽度主要被激光脉冲持续时间所限制,太赫兹脉冲通过InP晶片后相对于参考脉冲会延迟,同时振幅会降低。另外,太赫兹信号的频谱振幅在6.7～12.1 THz范围内下降到本底噪声。同时还可以看出InP晶片在6.7～12.1 THz频率范围内不透光,在0.8～6.7 THz以及12.1～18 THz频率范围内InP的吸收系数相对较低,特别是在15～17.5 THz范围内吸收系数很低并且保持相对稳定,与此同时它的折射率单调增加。这些发现将有助于基于InP晶片的非线性太赫兹器件设计。     

太赫兹检测技术

太赫兹(terahertz,简称THz)检测技术是THz技术应用的一个关键环节,它涉及物理学、材料科学、半导体技术、光电子学和超导电子学,是一门综合性很强的技术。文章介绍了一些比较典型的THz检测技术的原理及其应用,特别是国内学者在这方面的工作。     

太赫兹成像技术对玉米种子的鉴定和识别

利用太赫兹时域光谱(THz_TDS)测试技术及透射式太赫兹逐点扫描成像技术分别对几种玉米种子DNA和胚的样品进行了光谱和成像测量;利用空间图样成份分析(component spatial pattern analysis)方法对得到的THz像进行识别运算。实验结果表明,几种样品在THz波段都有不同的吸收特性,但都没有明显的吸收峰,不能利用“特征指纹谱”进行识别。用基于THz扫描成像的空间图样成份分析方法能很好地实现不同玉米种子DNA样品的鉴定和识别。与现有的THz图像识别方法相比,这个方法只需要THz像的实验数据和样品的吸收谱信息,不需要样品的其它特征。这项研究为进一步利用THz成像技术实现无损检测、安全检查、质量监测等提供了依据,具有实际应用价值。     

超宽带太赫兹时域光谱探测技术研究进展

太赫兹时域光谱(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术是一种非常有效的相干探测技术,具有信噪比高,探测带宽,可在室温下工作,可进行时间分辨测量等特点,广泛应用于材料、化学、生物、安检等领域。较早时期的THz-TDS系统受限于太赫兹辐射源的带宽和光谱探测手段,测量范围有限(<5 THz),较高频段的光谱信息无法得到。为了进一步扩大太赫兹时域光谱探测技术的应用范围,迫切需要发展超宽带(≥10 THz)的太赫兹时域光谱探测技术。本文回顾了太赫兹时域光谱探测技术的发展进程,综述了实现超宽带太赫兹时域光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法的典型实验方案,同时总结了不同探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果以及最新的应用进展。     

基于太赫兹量子级联激光器的无线信号传输的实现

文章采用连续波激射的太赫兹量子级联激光器(THz QCL) 为发射端、光谱匹配的THz量子阱探测器(THz QWP) 为接收端, 搭建了基于THz波的无线传输演示系统. 测量并分析了该演示系统的传输带宽. 采用搭建的无线传输系统演示了基于4.13 THz电磁波的图片文件的无线传输过程, 得到了与源文件一致的结果, 验证了采用THz QCL和THz QWP进行THz信号无线传输的可行性.最后, 分析了演示系统的传输速率, 给出了提高系统传输速率的方法.     

基于太赫兹量子阱探测器的太赫兹量子级联激光器发射谱研究

采用一个光谱匹配的太赫兹(THz)量子阱探测器(QWP)研究了一激射频率约为41 THz的THz量子级联激光器(QCL)在不同驱动电流下的发射谱,分析了测量得到的发射谱谱型和谱峰位置,根据测量的发射谱估算了太赫兹量子级联激光器发射功率随驱动电流变化的情况,从而得到了THz QCL激射的电流密度范围及其阈值电流密度.文中还研究了THz QWP在不同温度下对THz QCL 激光辐射的响应特性.研究结果表明,THz QWP在表征THz QCL的发射谱方面是一种很好的探测器,并有望成为未来THz通信中的接收装置.     

Frequency dependent optical and dielectric properties of zinc sulfide in Terahertz regime

Frequency dependent optical and dielectric properties for several grades of chemical vapor deposited (CVD) zinc sulfide (standard, elemental, and multi-spectral) was performed using a terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) system in the frequency range from 0.15 THz to 2.5 THz. Zinc sulfide exhibits low frequency vibrational modes characterized by the THz-TDS. Two low-frequency phonon resonance lines were revealed at 0.78 THz and 2.20 THz. These samples were also characterized in the GHz range using a backward wave oscillator (BWO) source quasi-optical spectrometer, and the data obtained by both approaches were compared. Experimental data were also compared with an undamped harmonic oscillator model. These results compare well with the literature values obtained using other methods.     

DNA碱基分子胞嘧啶和胸腺嘧啶的太赫兹光谱研究

利用太赫兹时域光谱技术获得了DNA碱基分子胞嘧啶和胸腺嘧啶在0.1―3.5 THz的特征吸收谱,发现胞嘧啶在2.53 THz的特征吸收细节信息。采用考虑了周期性边界条件的赝势平面波密度泛函方法对胞嘧啶分子晶体进行了结构优化和晶格动力学计算,模拟重现其太赫兹特征吸收光谱,并成功辨识了胞嘧啶在0.1―3.5 THz的所有特征吸收峰。研究结果表明,这些重要的生物分子在太赫兹频段表现出鲜明的光谱特性,胞嘧啶分子3.5 THz以下的吸收特性均来源于由分子间氢键支配的外振动模式。     

亮氨酸与异亮氨酸的低频集体振动的太赫兹光谱研究

太赫兹(THz)波是指频率在0.1～10 THz频段的电磁波。太赫兹光谱技术不同于以往的检测手段,可以用于检测氨基酸同分异构体,反映物质的分子结构和构型,对食品安全和药品药性控制有着重要的意义。亮氨酸与异亮氨酸属于同系的同分异构体,它们具有近似的分子结构,但物理化学性质有很大的差别。生物大分子的太赫兹吸收与其分子间氢键和分子内氢键的振动和转动能级相关的偶极跃迁有关,可以利用分子偶极跃迁进行生物分子的指纹识别。采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)和傅里叶红外光谱(FTIR),对亮氨酸和异亮氨酸进行了测量。在中红外波段亮氨酸与异亮氨酸的吸收光谱几乎完全重叠,而在太赫兹频波段可以观察到它们的光谱存在明显差异,因此太赫兹光谱能够作为快速准确鉴别这两种物质的方法。采用密度泛函理论(DFT)对亮氨酸和异亮氨酸的低频集体振动模式进行理论模拟,并对其太赫兹光谱进行研究和讨论。通过比较实验和理论结果,计算得到的峰位与实验结果可以互相印证。     

Terahertz pulse shaping via birefringence in lithium niobate crystal

Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is employed to study the spectral response of lithium niobate crystal. A giant birefringence occurs in lithium niobate crystal in the THz frequency region. We demonstrate that the waveform of the THz wave is controllable by use of the birefringence property of the crystal. We also show experimentally that one THz pulse can be separated into two coherent sub-pulses; the separation as well as the relative intensity of the two sub-pulses are adjustable by changing the crystal orientation with respect to the polarization of the THz beam.     

THz波的小波变换频谱分析

将小波变换引入THz波时域光谱技术.将水蒸气的THz波时域信号通过小波变换转化为二维的时间-频率平面，得到了和文献报道数据相一致的水蒸气的吸收谱线.同时发现了THz波频谱的时域分布特性，这将有利于进一步研究THz波与物质相互作用的内在机理. 关键词： THz波 频谱分析 小波变换     

马来酰肼多形态的太赫兹光谱研究

分子的多形态（多晶型）是指化学组成相同但存在不止一种晶体形式的物质。这些多形态广泛存在于自然界中,其中药物的多形态尤其普遍。这些药物多形态虽然具有相同的化学分子组成,但其理化性质却存在差异,最终会导致药物作用功能的不同。近年来,随着太赫兹（THz）辐射源的产生方式成为一种常规技术后,太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）的应用领域逐渐被拓宽。因为THz波不仅与分子内作用模式有关,更与氢键和范德华力等弱相互作用模式密切相关;THz辐射可以诱发低频键振动、晶体声子振动、氢键拉伸和扭转振动,许多有机分子的集体振动模式处于该波段,尤其是药物分子。基于此,采用THz-TDS技术,研究了马来酰肼药物分子两种多形态（MH2和MH3）在0.25～2.25 THz波段的THz吸收谱。通过实验测试,发现MH2和MH3的THz特征吸收峰完全不同,MH2获取到了三个特征吸收峰,分别位于0.34,1.41和1.76 THz;MH3晶型获取两个特征吸收峰,分别位于0.75和1.86 THz处;此结果表明马来酰肼多形态可以通过其THz特征吸收峰进行辨别表征。接着,为了对THz实验吸收峰进行解析,采用固态密度泛函理论(DFT)模拟了马来酰肼的红外吸收模式;在实验和理论频谱数据匹配的情况下,分析讨论了特征吸收峰的来源,发现MH2和MH3的THz吸收峰对其三维空间结构非常敏感,吸收峰均来源于分子间相互作用力。最后,为使药物研究能够与实际应用结合,对马来酰肼的商用药品青鲜素进行了THz光谱测试,通过其与马来酰肼多形态的THz吸收峰比较,发现人们日常使用的青鲜素是MH3晶型。此研究结果表明,THz-TDS技术是一种很有潜力的药物多形态检测工具,此研究有望解决马来酰肼多形态在工业生产及临床应用上检测难的问题。     

The transmission enhancement of a THz pulse through an Ag/Ag2O layer detected by terahertz time-domain spectroscopy

This paper reports a new way to detect the enhanced transmission of a THz electromagnetic wave through an Ag/Ag2O layer by THz-TDS （time-domain spectroscopy）. As the THz beam illuminates the sub-wavelength Ag particles gained by Ag2O thermal decomposition, the evanescent wave is generated. The evanescent wave is coupled by a 500μm-GaAs substrate, which attaches behind the Ag/Ag2O layer, and then it transmits to the far field to be detected. The experimental results indicate that the transmitting amplitude is enhanced, as well as the frequent shifting and spectra broadening.     

Terahertz magnetic resonance in MnCr2O4 under high magnetic field

Terahertz (THz) time-domain spectroscopy (THz-TDS) of polycrystalline MnCr₂O₄ was performed at <9 T and low temperatures. A resonance absorption in the sub-THz range with linear blueshifts was observed as the magnetic field was increased from 4 T to 9 T. These magnetism-driven absorptions originated from a ferromagnetic resonance, which agrees with low-field electron spin resonance measurements and ferromagnetic resonance theory. The low-temperature g-factors of MnCr₂O₄ were also obtained using THz-TDS. This work provides new insights into the spin dynamics of chromite spinel compounds in the THz region.     

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。     

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。