不同温度的牛血清白蛋白的太赫兹光谱研究

利用太赫兹时域光谱技术，测量了加热到298，308，328和348 K的牛血清白蛋白(BSA)固体样本的低频光谱，测量过程中获得了BSA样本的折射系数曲线、吸收系数曲线。由于BSA样本的THz折射系数和吸收系数光谱曲线存在重叠现象，采用主成分分析法对BSA样本的折射系数、吸收系数、复介电系数虚部及介电损耗角正切，共四个太赫兹光谱参数进行分析，发现样本未变性前，介电损耗角的正切与牛血清白蛋白样本的温度最相关，相关系数达到99.76%。采用模糊聚类方法区分变性前后的BSA固体样本，建立不同温度的BSA模糊识别模型，发现可以将未变性的样本与已经变性的样本区分开，为检测不同温度蛋白质特性的太赫兹光谱法提供新的途径。     

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。     

太赫兹波频域的GaAs材料特性

利用返波振荡器(BWO)系统对不同电阻率的GaAs在太赫兹波段的透射谱进行了测试,并对太赫兹波透射谱进行了计算和分析,得到不同电阻率的GaAs材料在太赫兹波0.23～0.375 THz波段范围的折射率、吸收系数和介电常数实部和虚部等光学特性参数。实验结果表明,不同电阻率的GaAs在整个测试太赫兹波频段内的折射率,吸收系数,介电常数实部和虚部均随着电阻率的增加而增加。高电阻率的GaAs材料对太赫兹波的吸收很小,其最小吸收系数可达到3.87×10-4 cm-1。同时也表明采用返波振荡器系统研究分析GaAs在太赫兹波段特性是可行的。研究不同电阻率的GaAs在太赫兹波段的光学特性,对设计高效率太赫兹波天线具有重要意义。     

聚酰胺66的太赫兹光谱特性与分子振动特征研究

针对太赫兹技术在材料特征识别和探测领域的潜在应用以及高分子材料在太赫兹波段的指纹特征,利用太赫兹时域光谱技术开展了PA66高分子材料在太赫兹波段的吸收光谱以及折射率、介电常数等光学参数的实验与理论分析研究。得到了PA66的太赫兹波段的光谱特征及吸收特征峰。并利用密度泛函理论开展了PA66在0.1～10 THz范围内的分子振动频率的计算工作,对比了理论计算数据和实验测试数据,并进行了太赫兹光谱特征吸收峰的归属指认。结果表明,计算的PA66分子振动频率与太赫兹实验光谱具有较高的一致性,并且太赫兹吸收光谱中的特征峰是分子中各基团的振动与太赫兹波频率的共振响应。通过分析基团的振动模式,对太赫兹光谱吸收特征峰归属进行指认:PA66材料在0.2～2.3 THz频段内多个特征峰主要由主链上酰胺基中C=O,—NH基团的摆动以及大骨架C链中的—CH_2非对称性振动产生。其中, 0.77 THz处的特征峰归因于分子内强烈的C=O和N—H的面外摆动, 1.56 THz处特征峰包含C=O的面外摆动和C链上CH_2的扭动,而1.85 THz处特征峰主要归因于来自单体己二酸中CH_2和C=O键的面外摇摆。中心频率约为4.57 THz处的特征峰,包含了C=O的面间摆动和来自单体己二胺中CH_2的强烈扭动。7.6 THz频率的吸收峰主要由C=O的摆动和—CH_2,—NH的剪切振动产生。研究结果表明,高分子材料对太赫兹波的吸收与分子中各基团的振动模式密切相关,并且在太赫兹波段的振动吸收峰一般由主链和支链中各种官能团的摇摆振动、扭曲振动以及分子间的相互作用而产生,进而推论出非对称性、含N、 O等元素官能团的极性高分子材料,电负性的差异致使分子振动偶极矩较大,在太赫兹波段容易产生指纹特征峰。为利用太赫兹技术进行材料的结构分析和识别检测提供理论基础和技术支撑。     

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。     

结合有效介质理论的乳状液太赫兹光谱分析

原油乳状液对原油的长距离输运具有重要影响,乳状液的油、水状态及相互作用机制还需新理论和新方法获得新认识,基于有效介质理论,本文研究了原油乳状液太赫兹光谱响应特征.通过太赫兹时域光谱系统测试得到了含水率为0~28%的原油乳状液的太赫兹时域光谱,结合傅里叶变换计算了吸收系数和介电常数等光学参数,同一频率下吸收系数等光学参数随含水率增加而增大.样品的实际介电常数与Bruggeman理论计算的介电常数一致,最大误差率低于3%,说明含水率较小时,水分散在原油中,微粒间的距离较大,微粒间的相互作用力较小,随着含水率增加,水相和油相混合分布,微粒间的距离会变小,微粒的相互作用力会变大.因此,有效介质理论对乳状液的太赫兹光谱研究具有重要意义.     

交联聚苯乙烯的太赫兹光谱特性

交联聚苯乙烯是一种热固性塑料,具有优异的介电特性和耐高压击穿能力等特性。采用基于太赫兹波空气电离相干探测法(THz-ABCD)的太赫兹时域光谱系统,测量了交联聚苯乙烯和聚苯乙烯样品在太赫兹的光谱特性,得到了其在2~13 THz频段的吸收系数、折射率等光学参数。研究结果表明:交联聚苯乙烯和聚苯乙烯的吸收谱形状相似,在6.6,9.8和12.25 THz等处存在多个吸收峰,但是交联聚苯乙烯的吸收系数在12 THz以下高于聚苯乙烯,在12 THz以上低于聚苯乙烯;交联聚苯乙烯的折射率高于聚苯乙烯,聚苯乙烯的折射率在1.58~1.59之间,交联聚苯乙烯的折射率在1.59~1.62之间。     

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。     

太赫兹时域光谱技术在流体包裹体研究中的应用

流体包裹体是研究矿物晶体演化的重要手段之一,它能反映矿物演化最原始的信息(温度、压力、pH值等)。在演化过程中,温度压力等外界因素直接影响包裹体的数量和大小,从而影响晶体的各种性质。本文利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS),对不同生长温度下KCl晶体内部的包裹体进行了检测,得到了样品的时域、频域和吸收系数曲线,并通过显微镜观察、计算得到了样品内部包裹体的面积,建立了包裹体面积和吸收系数的对应关系模型。通过对样品的吸收系数和样品内部包裹体面积的对比,可以看出二者具有相同的变化趋势,即晶体内部包裹体面积越大,THz吸收系数越大,说明THz吸收系数可以反映不同生长温度的晶体内部包裹体面积的变化情况,解析包裹体面积对太赫兹光学参数的影响,为流体包裹体的研究提供了一种新的有效途径。该研究创新点在于利用THz-TDS快速检测晶体内部包裹体面积的变化情况,说明了太赫兹技术完全可以用于包裹体的研究中,为包裹体的研究提供了一种全新的快速、无损的检测方法。     

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。     

用太赫兹时域光谱技术探测天冬酰胺的低频集体吸收频谱

用太赫兹时域光谱技术研究了室温条件下的多晶天冬酰胺样品的光谱特征，得到了相应的吸收谱和折射率.这说明样品在这个波段存在光谱响应，可以用来探测分子的结构和振动情况.研究发现，天冬酰胺在实验测量有效光谱范围(0.5—2.4THz)内有两个吸收峰，一个是位于1.642—1.758THz的宽带峰，另一个是位于2.266THz的吸收峰.用密度泛函方法在B3LYP/6-31+G(d,p)基组下做了模拟计算，并对获得的频谱进行了解析，计算得到的峰位与实验结果符合较好. 关键词： 太赫兹 时域光谱技术 氨基酸 天冬酰胺     

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。     

磷化铟(InP)在太赫兹波段的特性研究

太赫兹(THz)时域光谱(TDS)技术,能同时测量幅值和相位信息,因而能检测到物质丰富的物理化学性质,已逐渐成为科学界一大热点。磷化铟(InP)因其载流子寿命短、质量小等优良性能,正逐渐成为产生和检测THz波辐射的首选光电导材料之一。文章利用THz-TDS测试技术,在室温氮气环境中,对n型0.35 Ω·cm的InP材料在0.2～4 THz波段的特性进行了研究。文章根据物理传输模型,利用更准确的迭代方式,选用新的初始值,更快更准确的得到了复折射率,介电常数,电导率等THz光学常数,并且用Drude模型进行了理论上的模拟计算,所得结果与实验吻合很好,最后还得到了载流子的寿命、迁移率和浓度等THz重要参数。     

氨基酸的太赫兹光谱温度相关性研究

采用可调温太赫兹时域光谱(TDS-THz)系统,测量了脂肪族L-天冬酰胺、L-半胱氨酸、L-丙氨酸和芳香族L-酪氨酸四种氨基酸在低温下的温度特性,实验中,分别在降温和升温过程中选取了以下温度节点：常温,250,200,150,100,70,40,10以及4.5 K等,观察样品对太赫兹吸收光谱的异同;结合傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)对室温下上述四种氨基酸在低频段(0.5～2 THz)范围内的吸收峰进行了验证,同时采用拉曼光谱仪测试了高频段(3～6 THz)范围内的这四种氨基酸在常温下的拉曼强度,以此来验证了实验的准确性。结果表明：脂肪族和芳香族氨基酸太赫兹光谱对温度变化的响应存在差异,随着温度降低,两类氨基酸的吸收峰位置均发生蓝移现象, 同时部分氨基酸出现新的吸收峰,但是吸收峰线宽的变化略有不同。最后,采用量子化学Gaussian 09软件包,分别选取一种脂肪族氨基酸和一种芳香族氨基酸,通过密度泛函理论对其单分子和晶胞结构进行了计算,对比测试结果可以得出两种氨基酸的振动模式是由分子间作用力形成的。     

酪氨酸的太赫兹频谱研究

利用太赫兹时域光谱技术探测了室温条件下的酪氨酸样品的频谱响应, 获得了酪氨酸的太赫兹频谱。实验结果表明,酪氨酸在太赫兹波段存在特征频谱响应,可以用来探测分子的结构和振动情况。在获得的太赫兹频谱中,首次观察到0.23和2.46 THz附近存在的吸收峰。用HF方法和DFT计算了酪氨酸单分子和酪氨酸二聚体的太赫兹频谱,对理论计算和实验测量的偏离进行了详细的分析。在0.23 THz处的吸收峰,初步标定为氢键连接的2个酪氨酸分子的面外摇摆振动。     

太赫兹技术对二甲基苯甲酸六种同分异构体的识别

选取了在化工、医药生产中常见的中间体——二甲基苯甲酸作为研究对象,利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统研究了室温条件下,二甲基苯甲酸的六种同分异构体在太赫兹波段的吸收光谱。实验结果表明,在0.2～2.2 THz波段范围内,六种物质的特征频谱响应有非常明显的区别,而红外光谱仪的测量结果则显示,在1 450～1 700 cm-1波段范围内不同的异构体表现出相似的吸收特征。利用密度泛函理论(DFT)对六种物质的吸收频谱进行计算,并对它们的吸收峰产生的原因进行分析,可知在1 450～1 700 cm-1范围内六种物质的吸收峰均是由苯环的骨架伸缩振动和羧基上CO的伸缩振动引起的,而在0.2～2.2 THz波段,由于六种物质分子中整个苯环与相对位置不同的三个支链之间存在面外相对摆动,造成了集体振动模式的差异,从而表现出不同的吸收特征。通过分析发现,六种样品在两个频率范围分别表现出的差异和相似的吸收特征,源于其分子结构间的差异性和相似性,而利用太赫兹波段吸收特征的差异,可以实现对二甲基苯甲酸六种同分异构体的鉴别。上述研究结果表明,利用太赫兹和红外光谱技术研究同分异构体光谱特性的差异性和相似性是可行的,也为快速鉴别二甲基苯甲酸异构体种类和检测该化工中间体的纯度提供了一条有效的途径。     

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。     

基于三层光栅结构的超宽带太赫兹吸收体

基于等效介质膜理论及多层减反膜原理设计了用于超宽带太赫兹吸收体的三层微结构光栅,光栅基质采用重掺硼硅材料.用有限时域差分法分析了光栅周期、光栅宽度和深度对太赫兹吸收体反射系数的影响.数值分析结果表明,在低于3THz波段,吸收率高于98%的带宽为1.3THz,吸收率高于95%的带宽达2.1THz.用严格耦合波理论对该三层光栅的高吸收现象进行理论分析,分析结果表明,光栅多级衍射的相互作用减少了入射面的反射率,增大了该吸收体的吸收率.进一步优化三层光栅微结构的参量,在0.6~6THz范围内实现了大于95%的太赫兹吸收.基于光栅结构的吸收体结构简单,易于设计与分析,可以应用于太赫兹成像与探测应用领域.