太赫兹时域光谱技术及激光雷达光谱探测误差分析与实验验证

太赫兹波是指频率介于0.1~10 THz之间的电磁辐射,在电磁波谱上位于微波和远红外光之间。大多数生物战剂爆炸物在此波段有特征吸收。与在公共安全领域检测武器、生物战剂等危险品的传统方法相比,太赫兹辐射能量低,不会产生电离辐射,对物质可以做到高灵敏、无损伤和远距离检测。介绍了国内外太赫兹时域光谱技术在在生物战剂爆炸物检测方面的研究最新进展,并设计了一种激光雷达光谱探测与实时测量装置,以傅里叶光学与光信号处理为基础,使用楔形标准具作为分光镜,实现背景噪声去除、激光探测和光谱测量。测试结果表明,可探测激光雷达脉冲宽度为10 ns,并初步探讨了影响实验结果的几种因素,提出将激光雷达光谱探测技术与太赫兹时域光谱技术相结合,并采用现代模式识别、信号处理技术是生物化学战剂爆炸物实时光谱检测技术的发展趋势。     

太赫兹技术及其应用研究进展

概述了利用光整流、光电导天线、参量振荡、空气等离子体等方式产生太赫兹(THz)波,以及利用电光取样、光电导天线、空气等离子体等探测THz波的方法。阐述了THz时域光谱技术以及近年来发展的异步电光取样技术。讨论了THz技术在各领域的应用。重点介绍了本课题组近年来致力于THz检测技术在毒品检测识别方面的研究情况。建立了含有38种纯度在90%以上的THz毒品谱库,并采用人工神经网络、支持向量机等方法对毒品进行计算机自动识别,研究确定了毒品纯度和有效成分含量的理论和实验方法。用高斯软件对个别品种,如甲基苯丙氨(MA)、氯氨酮、海洛因进行了光谱解析,研究结果为实现毒品的实验室检测提供了依据。最后,简单综述了THz技术的发展前景。     

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。     

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。     

石墨烯在太赫兹器件中的应用

正1.引言太赫兹(terahertz,THz)波是电磁波谱中位于0.1 THz~10 THz(1 THz=1012Hz)频段的电磁波,对应波长为30~3000μm,因此也被称为亚毫米波。由于缺乏有效的辐射源和探测器,很长时间内对该频段电磁波性质知之甚少,被称为"THz空隙(THz gap)"。随着技术的发展,研究人员发现该频段具有很多独特的性质,比如,低光子能量不会造成样品电离,对非极性样品具有很强的透过率等。因为研究起步较晚,所以应用中缺乏有效的太赫兹功能器件。另外,     

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。     

太赫兹电磁波在毒品检测中的应用

介绍了太赫兹电磁波在毒品检测中的应用研究结果;报道了三种苯丙胺类毒品在太赫兹波段的指纹谱,对隐藏在信封中的毒品进行识别,对粉末状毒品与片状毒品的太赫兹吸收光谱进行了比较,同时也应用THz成像技术开发了毒品识别软件。研究结果表明,将太赫兹电磁波应用于毒品检测是可行的。     

日本科学家研制出太赫兹探测器

检测太赫兹（THz）辐射是一件非常麻烦的事。太赫兹波适用于各种成像应用，因为太赫兹波与许多材料都不会发生强烈的相互作用。但是，如果太赫兹波不被吸收，将不会被检测到。日本的研究人员演示了一种直接检测超导隧道结的太赫兹探测器。其灵敏度高、波段宽，可缩放到任何的阵列规格。     

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.     

THz光谱技术在炸药及其相关材料检测中的应用进展

太赫兹（THz）光谱技术近年来在航空航天、生命科学、安全检测等领域的应用进展迅速.由于许多炸药及其相关材料在THz波段具有特征吸收，许多非金属、非极性材料对THz波是透明的。且THz波具有低能性，THz光谱技术在安检中具有巨大的应用潜力．文章介绍了国际上THz光谱技术在炸药及其相关材料研究中的现状和进展及文章作者在炸药及其相关材料THz光谱研究方面的成果，讨论了THz技术应用于安全检测领域面临的挑战.     

Development and evaluation of magnetic resonance technologies, particularly NMR, for detection of explosives

Beginning in 1972 nuclear magnetic resonance (NMR) technologies for detecting explosives and illegal contraband were developed and evaluated at the Southwest Research Institute. Fullscale systems on the basis of hydrogen transient NMR were developed and evaluated in laboratory and field tests with generally favorable results but with some limitations. These included (1) an experimental, mobile system for detecting buried, nonmetallic land mines; (2) an instrument for inspection of letters and small parcels for small quantities of explosives or illegal drugs; (3) a system for inspection of checked airline baggage and air cargo for concealed explosives and illegal drugs; and (4) a system for rapid inspection of quantities of mail for illegal drugs.¹H NMR offers high sensitivity and detects high-energy explosives such as RDX, TNT, and PETN, as well as nitroglycerine and ammonium-nitrate-based explosives and illegal drugs. Challenges in both physics and engineering were successfully addressed to achieve the goals of rapid inspection with low false-alarm and high detection probability. Electron paramagnetic resonance was found suitable for detecting black powder in laboratory tests as was nuclear quadrupole resonance for a few high-energy explosives. Low-field¹H NMR was also explored in the laboratory to make it practical for explosives detection and found to have potential, but numerous implementation problems must be overcome.     

爆炸性物质太赫兹时间分辨光谱测量

利用自由空间电光取样方法,研究了四种炸药在太赫兹(THz)频段的光学特性.通过太赫兹时间分辨光谱测量,作者得到了四种炸药DNT(2,4-二硝基甲苯)、钝化的RDX(黑索今)、HMX(奥克托金)和TNT(2,4,6-三硝基甲苯)的透射光谱,进而计算得出它们在0.2～2.5 THz频段的吸收系数和折射率.作者发现,2,4-DNT在1.08 THz,HMX在1.82 THz存在显著的吸收尖峰,RDX在此频段存在多个吸收峰,TNT的吸收谱线相对其他三种样品比较平缓,这种共振吸收一般认为是由分子间相互作用或声子共振模式引起的.四种炸药对太赫兹波独特的吸收性质说明,太赫兹时间分辨光谱测量技术在炸药特征识别及安全检测领域具有潜在应用价值.作者对致癌物质偶氮苯进行了太赫兹光谱研究,发现了国产偶氮苯和进口偶氮苯在太赫兹波段均存在特征吸收峰,可用于物质鉴别.     

太赫兹时域光谱及成像技术在农作物品质检测中的应用研究进展

太赫兹辐射以其独特的技术优势,如瞬时性、宽带性、相干性、低能量性、穿透性和吸收性,受到了全世界各国政府、高等院校、科研机构等的高度重视并日趋成为生物医学、材料科学和物理学等领域的新兴研究热点。农作物成分如水分、蛋白、脂肪、淀粉等理论上在太赫兹谱区有较为丰富的吸收;太赫兹波的低辐射特性对农业生物样本检测更为安全;太赫兹波的穿透特性对带包装样本、包衣样本的检测又独具优势;太赫兹时域光谱与成像技术结合还可以进一步对农作物样本的组织形态进行辨别评价,因此太赫兹波技术逐渐成为农作物品质检测领域一项极具应用潜力和应用前景的前沿分析技术。简述了太赫兹时域光谱及成像技术的基本原理,聚焦于太赫兹时域光谱及成像技术在农作物品质检测领域的应用研究现状,对该技术在农作物种子质量鉴别（如品种、转基因和活力）、农作物成分分析（如糖类、水分和淀粉）,农作物贮藏品质判别（如新陈度、劣变和虫蚀）以及在农产品安全检测（如农药残留、非法添加物和异物）方面的新近研究工作和进展进行归纳总结,并展望了该技术在农作物品质检测领域的应用前景和发展趋势。     

基于太赫兹光谱检测的危险品模糊识别研究

在采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对7种常见危险品进行实验研究并得到它们在0.2~2.6THz频率范围的特征吸收谱的基础上,用模糊识别方法对7种常见危险品的太赫兹特征吸收谱进行了训练和识别。将爆炸物RDX(黑索金)、-γHNIW、DNT(2,4-二硝基甲苯)及毒品MA(甲基苯丙胺)、氯胺酮等的不同特征吸收峰作为模糊聚类分析数据源,利用相关系数法建立模糊相似矩阵,借助传递闭包法获得模糊等价矩阵,形成标准太赫兹吸收光谱模型库,采用极差分析进行数据预处理,计算海明贴近度,识别待检物品为隐蔽在军服后的RDX和毒品MDA(替苯丙胺)。研究结果表明,由分子间相互作用或声子共振模式引起的不同特征吸收是确定危险品类型和种类的依据,用模糊识别可以实现对不同种类危险物品的识别和鉴定,为太赫兹光谱技术用于危险品的检测和识别提供了一种新的有效方法。     

超高灵敏度太赫兹超导探测器

太赫兹(THz)波段一般定义为0.1–10 THz的频率区间, 对应波长范围3 mm–30 μm, 覆盖短毫米波至亚毫米波段(远红外). 尽管人们早已认识到太赫兹波段具有非常重要的科学意义和广泛的应用前景, 但该波段仍然是一个有待全面研究和开发的电磁频率窗口. 因此, 太赫兹波段的天文观测在天体物理及宇宙学研究中具有不可替代的作用, 对于理解宇宙状态和演化具有非常重要的意义. 具有超高灵敏度的太赫兹超导探测器, 已经成为太赫兹波段观测的主要手段. 本文主要阐述了太赫兹超导探测器的基本类型和工作原理, 以及中国科学院紫金山天文台在该领域的主要研究成果和进展.     

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.     

太赫兹技术在农产品品质检测中的研究进展

农产品质量安全日益受到关注。由于传统检测方法存在耗时长、操作复杂、消耗大量溶剂、成本高等问题，因而迫切需要开发快速无损检测技术。在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间的太赫兹波，因其所处波段的特殊性，使其具有了瞬态性、高穿透性、宽带性、相干性和低能性等一系列特性，太赫兹技术可以有效反映有机生物分子的结构和性质，作为物质“指纹”谱，该技术逐渐应用于有机生物分子的定性、定量分析，在近红外光谱、拉曼光谱、X射线等众多光谱类快速无损检测技术中成为一种极具竞争力的新兴检测技术。首先介绍了太赫兹波特点，太赫兹光谱及其成像技术原理；其次，在其基础上总结了太赫兹数据处理一般流程及其主要步骤中的常用分析方法，着重对定量、定性分析步骤中模型搭建方法、评估方法、评估指标进行了阐述；再次，讨论了近几年来太赫兹技术在农产品品质检测中的几个关键领域应用和研究进展，具体包括农药残留、抗生素、毒素等微量有害物质检测，掺假、转基因和外源异物的鉴别以及农产品内部营养成分含量预测等；最后，系统探讨了太赫兹技术在农产品品质检测领域尚需解决的问题，以此为导向总结需要进一步加强的研究方向，并对太赫兹技术在农产品品质领域未来发展作出展望。已有研究文献表明太赫兹技术在农产品品质检测领域的有效性。尤其，对非极性物质不敏感的特性，使其对已包装农产品的品质检测与评估具有得天独厚的优势。随着机器学习、强化学习等信息科学技术发展，一方面进一步加强太赫兹数据分析技术研究，通过数据自主学习，从数据角度揭示科学规律，构建精度更高、运算开销更小、实时性更强、泛化能力更好的分析模型；另一方面从分子振动理论出发，结合化学、物理学知识，研究太赫兹光谱特性的形成机理，并将获取的先验知识应用于分析模型的构建，通过数据与机理二者有机结合，提高太赫兹光谱分析软实力。未来硬件系统开发上以便携、低成本、灵敏度高为目标，最终实现太赫兹技术应用从实验室研究阶段逐渐走向商用工程化应用。     

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。