太赫兹波段豆油光谱的优化测量

太赫兹时域光谱技术是基于飞秒超快激光技术的有效的光谱检测技术,太赫兹波独特的优势使其成为一种有效的无损检测手段,并被广泛地应用到各个领域。然而在样品检测尤其是液体样品检测过程中,由于Fabry-Perot效应的存在,太赫兹波在样品、样品容器、以及光学元件之间的多次反射,使时域信号产生回波,样品的吸收光谱在频域内产生振荡,有可能会隐藏一些重要的吸收特征。为了解决这一问题,对解卷积算法进行改进,在传统计算模型的基础上,考虑系统中液体池窗片和光学元件对太赫兹波的非线性吸收,将包含回波的太赫兹时域信号描述为太赫兹主脉冲与一系列冲击信号和非线性传递函数的卷积。通过分析,有效去除回波引起的频谱振荡,进一步提高太赫兹波段豆油光学参数的测定精度。实验对比了改进前后0.2～2 THz波段豆油的频谱及吸收谱,实验结果证明,与传统的主脉冲截取法相比,本算法不仅能有效去除回波引起的频谱振荡,且在相同检测条件下,可将太赫兹波段豆油样品的频率分辨率由50 GHz有效提高至10 GHz。该算法不受被测对象参数的影响,同样适用于其他液体的太赫兹时域光谱测量。最后对吸收谱中残余的频谱振荡进行了深入分析。     

红薯淀粉中添加剂明矾的定性和定量太赫兹时域光谱技术检测

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对红薯淀粉中的添加剂明矾进行了实验研究,获得了红薯淀粉和明矾的太赫兹时域光谱和频域光谱,通过计算得到二者的吸收系数谱和折射率谱,吸收系数谱显示明矾在太赫兹波段有明显的特征吸收峰,可以用THz-TDS技术对淀粉中的明矾进行特征识别。实验获得了红薯淀粉中掺杂不同百分比(质量分数)明矾的太赫兹时域光谱,计算得到吸收系数谱和折射率谱,发现随着明矾含量的增加吸收峰的幅度下降,折射率逐渐下降,说明THz-TDS技术可以用于淀粉中明矾的定性识别和定量检测。     

苏氨酸不同分子构型太赫兹吸收峰的量子化学指认

与红外、紫外和拉曼光谱相比,太赫兹光谱能量低,在待测物质中不会出现有害光致电离现象,伴随太赫兹技术的不断成熟,太赫兹波已经成为常用的无损检测用波。很多生物大分子在高频光波探测下具有指纹性,太赫兹时域光谱技术是对生物大分子无损检测的最佳手段。同时,不同生物分子在太赫兹吸收谱中呈现出各不相同的吸收峰,获得待测物质的太赫兹吸收谱后,与标准谱进行对照可以为待测物质做出定性辨识。在此基础上,结合最小二乘法、支持向量机等数据处理技术还可以实现基于太赫兹时域光谱对待测物质的定量分析。量子化学分析方法应用了量子力学的基本原理和方法,其中电子分析理论从电子角度出发,在分析大分子或原子个数众多的体系时近似误差较小,并且密度泛函理论不依赖实验数据和先验知识的支撑。通过量子化学计算方法计算氨基酸分子的太赫兹吸收谱,可以为氨基酸分子的太赫兹吸收峰匹配分子振动模式,对氨基酸定性分析有一定的参考性,并为实验获取的样品太赫兹时域光谱提供理论支撑,在实验获得太赫兹吸收谱的基础上进行量子化学计算,能验证实验结果的准确性。首先利用太赫兹时域光谱系统获取进口苏氨酸样品的太赫兹吸收谱,其次分别构建苏氨酸样品在实物中以两性离子形式存在的单分子、二聚体和晶胞三种构型,并利用量子化学计算方法完成了每种构型的结构优化,最后计算三种苏氨酸分子构型的太赫兹吸收谱。结果表明,单分子构型和二聚体构型的太赫兹计算谱与实验谱差异较大,但在高频段计算谱与实验谱的吸收峰峰位基本吻合,而较为全面反映分子间氢键及范德华力作用的晶胞构型计算谱与实验谱则较为吻合。同时表明,与样品结构较为一致的、保持苏氨酸物理性质的最小结构为晶胞。     

基于经验模态分解提高太赫兹频率分辨率的方法

太赫兹频率分辨率是影响物质鉴别的重要因素,但是由于太赫兹时域光谱系统中存在器件反射,使得参考信号和测量信号出现多个反射峰,时域信号长度截断导致频率分辨率很低。为了去除反射峰的影响,提出基于经验模态分解去除时域反射峰,从而提高太赫兹频率分辨率的方法。通过与太赫兹主峰的互相关定位时域反射峰,计算反射峰的上下包络和求平均值,获取本征模函数并代替反射峰,增加时域信号有效长度,提高太赫兹频域分辨率。空气中水蒸汽的太赫兹透射谱实验结果表明,该方法具有自适应去除多个反射峰的能力,对太赫兹时域信号修复效果良好,频率分辨率提高了12倍,而且未丢失有用的吸收谱信息,吸收峰的位置和个数与真实谱一致,很好地保留了太赫兹谱的鉴别能力。     

氨基酸官能团的太赫兹振动模式研究

对比于氨基酸的红外分析法,太赫兹波的电子能量更低,可实现无损检测。氨基酸分子内原子振动、分子间氢键的作用、以及晶体中晶格的低频振动均处于太赫兹波段,使其在太赫兹波段具有吸收峰,且不同的氨基酸分子太赫兹吸收峰不同,故可用氨基酸在太赫兹波段的这种“指纹特性”实现氨基酸类物质的定性分析。量子化学分析方法可以应用量子力学的基本原理和方法,研究稳定和不稳定分子的结构、性能及其之间的关系,还可以针对分子与分子间的相互作用、相互碰撞及相互反应等问题进行研究。通过量子化学计算方法计算氨基酸分子的太赫兹吸收谱,可以为氨基酸分子的太赫兹吸收峰匹配分子振动模式,对氨基酸定性分析有一定参考性与指向性,并为实验获取的样品太赫兹时域光谱提供理论支撑,在实验获得太赫兹吸收谱的基础上进行量子化学计算,还能为实验结果进行验证。首先利用太赫兹时域光谱技术获取了谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸的太赫兹吸收谱,分别构建这三种氨基酸样品在实物中以两性离子形式存在的单分子构型,利用量子化学计算方法在完成结构优化后进行太赫兹吸收谱模拟计算。计算结果表明三种氨基酸单分子的太赫兹吸收谱计算结果与实验获取的太赫兹吸收谱差异较大,但在高频段吸收峰峰位基本吻合。通过GaussView分别查看了这三种氨基酸分子在太赫兹段内的吸收峰对应频率处的振转情况,发现在高频段内三种氨基酸分子官能团均只发生转动而未见振动,并且转动模式基本一致。通过对氨基酸官能团的太赫兹吸收谱进行量子化学计算,将官能团在高频段内吸收峰对应频率处的振转模式与三种氨基酸分子在该段内吸收峰对应频率处的振转模式做了对比。研究表明,在氨基酸单分子构型下由量子化学方法计算所得的太赫兹吸收谱中,高频段内计算得出的模拟吸收峰与实验获取的太赫兹吸收峰基本吻合;振转模式分析发现,谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸在太赫兹高频段内的氨基酸官能团振转模式相同,三种氨基酸分子在高频段内的吸收峰主要来源于氨基酸官能团。因此,结合量子化学计算与太赫兹吸收谱可以实现氨基酸类物质的定性分析。     

不同参数多壁碳纳米管太赫兹谱特性

探索不同管径和长度的多壁碳纳米管(MWCNT)的太赫兹(THz)谱特性,采用透射型太赫兹时域光谱系统研究了5个不同管径和长度的MWCNT样品的太赫兹吸收谱和折射率谱,并对比和分析了它们的差异。结果表明:在0.2~2.0THz内,多壁碳纳米管太赫兹吸收没有特征吸收峰,吸收强度随着频率的增加而增加,并可以拟合为不同斜率的直线,且MWCNT在THz波段的吸收强度与管径和长度成正比。折射率随着频率的增加呈指数衰减,同时,管径是影响其折射率的一个重要因素,而长度对其影响不大。     

基于衰减全反射式太赫兹时域光谱技术的食用油光谱特性研究

食用油是人类营养和能量的重要来源,为人体提供必需的脂肪酸,研究食用油在太赫兹波段光学特性,对食用油成分分析及品质评价具有重要价值。衰减全反射式太赫兹时域光谱技术是一种新型的太赫兹时域光谱技术,通过样品与倏逝波的相互作用,获取样品的太赫兹光谱。与透射式或反射式太赫兹时域光谱技术相比,该技术能有效地避免测量食用油等液体样品时样品池对光学参数的影响,并能获得样品的精确光学参数。分别利用透射式太赫兹时域光谱技术和衰减全反射式太赫兹时域光谱技术测量了大豆油的吸收光谱。结果表明,与透射式太赫兹时域光谱技术相比,衰减全反射式太赫兹时域光谱技术能更有效地提取大豆油的吸收系数、吸收峰分布等光学特性。进一步利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了大豆油、核桃油、葡萄籽油在太赫兹波段的光学特性,获得了三种食用油在1~1.8 THz范围内的折射率谱和吸收光谱。利用密度泛函理论计算了食用油中四种主要成分(软脂酸、硬脂酸、油酸和亚油酸)在太赫兹波段的振动、转动模式,理论计算结果同实验测量结果吻合较好。研究表明,在太赫兹波段食用油的吸收峰与所含脂肪酸分子种类与含量有关,其主要来源为脂肪酸分子的低频振动和转动。研究成果对食用油成分定性定量分析及品质检测等具有指导意义。     

太赫兹技术在爆炸物检测中的应用

研究了太赫兹成像技术在爆炸物探测中的应用,分析了太赫兹透射型时域光谱系统的实验装置,介绍了太赫兹时域光谱的测量步骤。确定了四种爆炸物样品(TNT,RDX,DNT,HMX)在太赫兹波段的吸收谱。结果表明,这四种爆炸物样品在0~2.5THz的频率范围内均存在特征吸收峰,这为太赫兹技术检测爆炸物提供了一种有效的途径。     

THz时域光谱测试中的散射问题

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)提取物质在太赫兹波段的吸收谱是太赫兹应用的一个重要方面。THz-TDS实验系统中的被测样片一般是多种成份的微粒与稀释剂(PE)按一定摩尔浓度混合研磨后压制而成的薄圆片。一般认为,吸收谱中出现的随频率缓慢上升的基线是源于样品颗粒对THz波的散射。该基线对准确获取吸收谱中的特征吸收峰的峰高和峰形信息产生了影响,故为了进一步对吸收谱实现准确的定量分析,应设法移除基线,消除样品颗粒散射对吸收谱的影响,使吸收谱中的特征吸收峰更准确的体现被测物质在太赫兹频段内的吸收特性。对基线产生的原因进行了分析,对近年来出现的散射处理方法进行了综述,为了验证文献中去除散射方法的合理性,选取三种氨基酸进行实验,对比了去除散射影响前后氨基酸的摩尔浓度计算精度,结果表明,去除散射影响后部分氨基酸的摩尔浓度计算精度得到了提高,最后综合实验结果提出了THz吸收谱中去除散射影响需要进一步研究的方向。     

用太赫兹时域光谱技术判别防冻液和刹车油的真伪

太赫兹时域光谱技术可以分辨化合物结构上的微小差异并应用于物质检测与分析,为有机化工产品的鉴别及更宽有效光谱区的测试提供了新的实验方法.本文运用太赫兹时域光谱技术研究了甲醇、防冻液和刹车油在太赫兹波段的光学特性,在室温氮气环境中,得到了样品的时域谱和在0.2～2.5THz波段的吸收谱.甲醇和防冻液、刹车油在此波段的吸收谱存在显著差异,甲醇的吸收峰位于0.35THz、0.72THz处,防冻液和刹车油的主要吸收峰位于0.62THz处.实验表明,用太赫兹时域光谱技术可以检测防冻液和刹车油里是否掺有甲醇,进而判断其质量的优劣.     

基于平均吸收的太赫兹波振幅成像研究

提出了一种基于一定频率内平均吸收的太赫兹(THz)波振幅成像新方法。太赫兹波频率在0.1～10 THz之间,波段位于红外和微波之间。太赫兹波成像技术的一个显著特点是信息量大,如何对每个样品点的大量信息进行处理提取有用信息重构出样品的图像是一项关键技术。选用中间挖空有“THz”字样的白纸为样品作太赫兹波成像研究,首先探讨了时域和频域上几种常用太赫兹波振幅成像方法所反映的样品信息及其特点,进一步使用提出的基于一定频率内平均吸收的太赫兹波振幅成像新方法对样品进行图像重构。实验结果表明这种新方法可以很好的反映样品的真实信息,反映了样品在一定频率范围内由于吸收而引起的效果的综合,与吸收系数和厚度相关,离散效应得到了很好的消除,相对几种常用的太赫兹波振幅成像方法能够得到更清晰的图像。此新方法尤其适用于结构简单的样品,能够成为几种常用振幅成像方法的有力补充。     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

二维透射式Terahertz波时域谱成像研究

通过THz(Terahertz)波的相位信息和振幅信息来解析出样品某些可用于成像的参量；并且对THz波相位信息成像和振幅信息成像进行了比较.结果显示：当样品对THz波的吸收比较小时，利用THz波的相位信息进行成像比通过振幅信息进行成像质量要好一些；时域谱峰值位置的漂移会对相位信息成像产生较大的影响.实验中发现输出光谱中出现了劈裂现象，即由输入的单峰变成了双峰.分析表明，这一现象是由样品内部厚度或折射率突变导致的，该现象可用于THz波轮廓成像研究.     

Approach to broadband terahertz pulse field detection and recovery with electro-optic sampling measurement

Electro-optic sampling (EOS) measurement of terahertz (THz) pulses inherently leads to distortions, especially for relatively broadband THz pulses. In this paper, we proposed an approach to broadband THz pulse field detection and recovery with EOS measurement. In our approach, we use an EOS measurement utilizing a thick GaP crystal, which has a high transverse optical phonon frequency, to reduce the distortions caused by dispersive propagation, interface reflection and Fabry-Perot effect (multiple reflections within an EO crystal). And a retrieval algorithm is designed to eliminate the distortion of broadband THz pluses after passing through the thick GaP crystal (The distortion in a thick GaP crystal is mainly attributed to phase mismatching between the THz pulse and the sampling laser pulse.), in which preconditioned conjugated gradient method is used.     

Effects of Pumping Sizes on THz Radiation Based on Ultrashort Light Pulse Optical Rectification for High Spatial Resolution T-Ray Imaging

We present our experimental studies on the effects of the pumping sizes on THz radiation based on ultrashort light pulse optical rectification for high spatial resolution T-Ray imaging. Our experiments show that high spatial resolution T-ray imaging requires both thin THz emitter and sample, and rigorous tolerance of the gap between the sample and the emitter, as well as small pumping size which usually much smaller compared with THz wavelength. Such a small pumping size results in dramatic decrease of the THz wave power, which originates from strong diffraction of THz wave, the depolarization of the focused tightly pumping beam, the spatial filtering of the emitter exit-surface, and the strong phase-mismatching between the pumping and the high spatial Fourier components of the THz signal, rather than two-photon absorption.     

超短THz脉冲在随机散射介质中的传播

用Monte-Carlo方法模拟了超短THz脉冲在随机散射介质中的传播.根据Mie理论计算出随机散射介质的散射系数和各向异性因子，研究了随机散射颗粒及介质厚度的大小对透射脉冲的影响.结果表明在Mie散射范围内，在相同的浓度下，颗粒尺寸越小，散射介质越厚，THz散射越严重，对透射脉冲的影响越大.散射同时降低了THz脉冲在随机散射介质中的成像分辨率. 关键词： 超短THz脉冲 随机散射介质 Mie理论 Monte-Carlo方法     

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。     

基于THz光谱技术的1,3-二硝基苯挥发气体检测方法研究

针对工业生产过程中1,3-二硝基苯挥发气体突发性泄露等情况的发生,设计了一种基于太赫兹(THz)特征光谱吸收技术的检测方法,该方法可通过1,3-二硝基苯在THz波段的特征波长对痕量剧毒有害气体进行检测。系统设计了双气室结构,为THz波提供差分数据,一组为标准空气,另一组为待测样气。由1,3-二硝基苯在THz波段的四个主吸收带0.635,0.912,1.095和1.435THz可根据对应吸收带吸收系数的比例关系得到对应波长上的吸收幅值,最终反演气体浓度。经过对两种传统检测方法的实验分析和对THz吸收检测方法的仿真研究可知,色谱法检测速度无法实现实时检测,红外吸收法对环境湿度要求很高,需经干燥处理,而THz吸收法对环境湿度要求较低,且具备实时性,更适合于实际应用。     

Dynamics of molecular alignment steered by a few-cycle terahertz laser pulse

The field-free alignment of molecule ClCN is investigated by using a terahertz few-cycle pulse (THz FCP) based on the time-dependent density matrix theory. It is shown that a high degree of molecular alignment can be obtained by changing the matching number of the THz FCPs in the adiabatic regime and the non-adiabatic regime. The matching number can affect both the maximum value of the alignment and the time at which it is achieved. It is also found that a higher degree of alignment can be achieved by using the THz FCP at lower intensity and there exists an optimal threshold of molecular alignment with the increase of the field amplitude. Also found is the frequency sensitive region in which the degree of maximum alignment can be enhanced greatly by modulating the center frequencies of different THz FCPs. The investigation demonstrates that comparing with a THz single-cycle pulse, a better result of the field-free alignment can be created by a THz FCP at a constant rotational temperature of molecule.     

Coherent control of THz wave generation in ambient air

Our study of THz wave generation in the pulsed laser induced air plasma with individually controlled phase, polarization, and amplitude of the optical fundamental wave (omega) and its second harmonic (2omega) indicates that the third-order nonlinear optical process mixing the omega and 2omega beams in the ionized plasma is the main mechanism of the efficient THz wave generation. The polarity and the strength of the emitted THz field are completely controlled by the relative phase between the omega and 2omega waves. The measured THz field amplitude is proportional to the pulse energy of the fundamental beam and to the square root of the pulse energy of the second-harmonic beam once the total optical pulse energy exceeds the plasma formation threshold. The optimal THz field is achieved when all waves (omega, 2omega, and THz waves) are at the same polarization in the four-wave-mixing process.