基于有机吡啶盐晶体的太赫兹频率上转换探测

利用激光泵浦国产有机吡啶盐4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-stilbazolium tosylate,DAST)晶体,通过非线性频率上转换方法实现了室温运转的高灵敏、快响应、宽频段太赫兹探测.高效生成了近红外上转换光,采集到其脉冲包络和光谱,获得了ns量级的时间分辨率,并换算太赫兹波的频率,实现了对太赫兹信息的全面表征.与商用高莱探测器相比,上转换方法在19 THz频点的探测灵敏度高4个数量级;在可探测频率3.15—29.82 THz范围内,响应度普遍高2—3个数量级.结果表明:室温下的光泵频率上转换探测方法在时间分辨率和响应度方面远优于传统的热探测器,极大地提高了差频有源太赫兹系统的动态范围,使差频源在太赫兹波谱分析和成像等领域具有更大的应用潜力.     

非线性光学晶体4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐的制备与性能研究

采用籽晶法制备了大体积高质量的4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(DAST)晶体，对制备条件进行了优化，对DAST晶体X射线衍射谱图中的主要峰进行了指标化.另外，还对所制备的DAST晶体的透光性、热稳定性进行了研究， 并对265℃的焙烧产物进行了X射线衍射 (XRD)和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)测试，证明了260℃是DAST晶体的熔化相变温度， 说明采用熔融法制备DAST晶体是可行的；同时还对DAST晶体的热失重过程进行了初步探讨. 关键词： 4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐 晶体生长 X射线衍射 热稳定性     

非线性有机材料DAST的研究及应用

随着光通信、光信息处理技术等的快速发展,非线性光学材料越来越受到学术界与工业的关注。与无机非线性光学材料相比,有机非线性光学材料具有响应时间短、易于加工和高非线性系数等优点。其中,4-(4-二甲氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯磺酸盐(DAST)是人工设计的一种具有非中心对称性和较强极化率的有机非线性材料。大量理论和实验结果表明,DAST具有高二阶光学非线性系数、高电光系数、大双折射率差和低介电常数等特性,能够产生更快、更强的光学非线性响应,还具有优异的太赫兹波发射及吸收性能,是目前综合性能最优、应用最广、最具研究价值的非线性有机材料。近年光谱研究显示,DAST还表现出各向异性的太赫兹光谱特性。文章系统地总结了DAST晶体在太赫兹波发射、二次谐波产生、电光探测和电光调制等众多领域的国内外研究成果,还概括了我们团队近期在DAST基薄膜、太赫兹光谱、光电特性、超材料等新领域的研究进展。此外,还提出将准相位匹配法用于DAST晶体研究、利用电场或自组装膜诱导生长DAST晶体等新思路。对DAST成果的总结和梳理,将促进非线性DAST有机材料在电光调制器、频率转换器、THz探测器等重要领域的应用与理论研究,使其能够更加广泛地应用在光通信、光信息处理、军事技术等重要领域。     

除虫脲和高效氯氟氰菊酯的太赫兹光谱及密度泛函理论研究(英文)

利用太赫兹时域光谱技术及密度泛函理论对两种常用的卫生杀虫剂除虫脲和高效氯氟氰菊酯的低频振动光谱进行了研究。室温下观测到两种物质在0.2～2.2THz内的实验谱分别有5和7个吸收峰,可作为其在THz波段的指纹谱用于分子识别。为了深入理解太赫兹吸收峰的振动特性,我们采用Gaussi-an03和CRYSTAL09软件分别进行了单分子和晶体的密度泛函理论模拟。晶体模拟结果预测出两种物质在0.2～2.2THz实验谱中所有的吸收峰,明显优于单分子模拟结果。最后通过晶体密度泛函理论模拟的简正模式分析获得不同吸收峰处的振动模式归属。结果证明太赫兹光谱技术在农药分子识别以及晶体密度泛函理论模拟在太赫兹吸收峰指认和振动模式归属方面的可行性。     

间甲基苯甲酸的THz时域光谱

利用THz时域光谱技术测量了间甲基苯甲酸在0.2 ~1.8 THz频率范围内的振动光谱,结合密度泛函理论计算的振动光谱,对观测到的强振动吸收峰进行了指认. 比较不同的芳香化合物的振动光谱,间甲基苯甲酸分子的特征振动峰与其他芳香化合物的振动特征峰在0.2~1.8 THz频率范围内明显不同.     

蒿甲醚的太赫兹时域光谱研究

蒿甲醚是目前治疗疟疾非常有效的药物。由于其独特的药效,在临床医学中的应用比较广泛。采用太赫兹时域光谱技术测量了蒿甲醚在太赫兹波段的吸收特性,得到它在0.2～3.0 THz频率范围的特征吸收谱。应用密度泛函理论和6-31G基组计算了蒿甲醚分子的结构及其在太赫兹波段的振动频率,并据此对实验光谱吸收峰进行了指认。理论计算表明,在1.26和2.73 THz处的吸收峰与实验上在1.24和2.73 THz处得到的吸收峰位置相对应,理论计算与实验数据吻合的较好。同时对蒿甲醚的远红外振动模式进行了识别,振动模式以分子基团的骨架振动和扭转为主要特征。对蒿甲醚太赫兹光谱特性的研究结果表明太赫兹技术是一种检测中药的有效方法,这为进一步研究蒿甲醚的药效提供了理论依据。     

基于DAST晶体差频的可调谐THz辐射源

基于自发成核法自行生长的4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯酸盐(DAST)晶体,可实现宽带可调谐THz辐射输出。实验探究饱和生长溶液质量浓度对晶体生长形态和光学质量的影响,并结合晶体的拉曼光谱,对其生色团振动和转动特性进行分析。采用波长为1.3～1.5μm的高能量、可调谐双波长的激光为泵浦光,基于0类相位匹配外腔差频和电控振镜快速扫描技术,实现了0.1～20.0THz的宽带THz辐射输出。在18.9THz处,每个脉冲最大输出能量为3.59μJ,转换效率为2.39×10-4。基于宽带THz输出谱可知,DAST晶体对THz波的吸收主要是因为晶格振动引起的。     

有机磷农药甲基对硫磷的太赫兹(THz)光谱研究

运用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)与理论模拟相结合的方法研究了有机磷农药甲基对硫磷在THz波段的光谱特性。在室温氮气环境中得到了样品在0.2～2.0 THz波段的吸收谱和折射率谱。表明其特征吸收峰分别位于0.65,1.33,1.81和1.91 THz处,其平均折射率为1.39。同时运用密度泛函理论(DFT)计算了甲基对硫磷分子的结构及其在太赫兹波段的振动频率,计算结果与实验数据吻合较好。研究结果表明,实验光谱的特征吸收峰是由分子的集体振动及扭转形成,不同的吸收峰位对应分子不同的振转模式。     

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。     

啶虫脒太赫兹光谱的实验研究和理论模拟

啶虫脒是一种氯吡啶类新烟碱类杀虫剂,由于其对昆虫烟碱乙酰胆碱受体的结合选择性而成为最常用的杀虫剂之一。为研究啶虫脒在太赫兹波段的指纹特征与其结构信息之间的关系,利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术并结合密度泛函理论（DFT）对啶虫脒晶体的太赫兹吸收光谱进行了实验研究和理论模拟。利用THz-TDS技术测量了室温下啶虫脒在0.3～3.3 THz频段的特征吸收谱,发现啶虫脒晶体在该频段内有多处强度不同的特征吸收峰,分别位于1.08,1.38,1.97,2.54, 2.89 THz处,这些特征吸收峰构成了用于检测啶虫脒的THz指纹谱。为更好地理解啶虫脒太赫兹实验特征谱产生的理论机理,基于密度泛函理论分别对啶虫脒孤立分子模型和晶胞模型进行了理论模拟计算。单分子模型的理论计算在Gaussian09软件中进行,采用基于密度泛函理论的B3LYP杂化泛函方法,并选取6-311G（d, p）基组进行几何优化,并在相同水平上进行振动频率计算,模拟结果与实验数据存在一定的差异,说明单分子模拟存在一定的局限性。晶胞模型的理论计算在Materials Studio 8.0中适合计算周期性结构的CASTEP模块中进行, 采用基于平面波赝势和广义梯度近似(GGA)的PW91,PBE,PBEsol和WC四种交换相关泛函对啶虫脒晶胞模型进行几何优化和晶格动力学计算。将啶虫脒单分子和晶胞的理论模拟结构参数(键长、键角)分别与其X射线衍射(XRD)实验测量的结构参数进行了详细的比较分析,发现基于PBE方法获得的固态仿真结果中分子的结构参数与X射线衍射实验数据的一致性最好。同时用PBE方法获得的理论仿真谱与实验吸收谱也最为吻合。基于PBE的计算结果对实验特征吸收峰进行了振动模式指认。研究结果表明,啶虫脒晶体在太赫兹频段的特征吸收主要来源于晶体中以C-H…N氢键为主的分子间弱相互作用带动的集体振动模式,以及由分子内吡啶环的平动和甲基基团的扭动所引发的骨架振动。     

Far-infrared properties of DAST

Using terahertz time-domain spectroscopy, we have measured the index of refraction and the absorption coefficient of the organic ionic salt 4-N, N-dimethylamino-4?-N?-methyl-stilbazolium tosylate (DAST). This promising organic electro-optic material exhibits strong absorption and dispersion for frequencies above 1 THz at both room temperature and 83 K. No reduction in the absorption strength is observed when DAST is cooled, suggesting a single-phonon origin of the resonances. A simple vibration of the anion and cation of the salt is suggested as the origin of the exceptionally strong far-infrared absorption and the high-frequency electro-optic properties of DAST.     

KTiOPO4晶体的太赫兹光学声子振荡特性研究

采用超快半导体光电导开关的宽带太赫兹时域频谱系统,研究了 KTiOPO4 晶体在0.5～2.0THz波段的光学声子振荡特性;在晶体z轴平行于THz波电场振动方向时发现了明显的吸收峰.利用晶体中晶格振动模式（光学声子）对光谱的选择性吸收特性和多洛仑兹振子伪谐振介电模型,很好地拟合了KTP晶体的复介电常量曲线,得到了对应晶格弱振动的光学声子的频谱参量值.研究结果表明,位于ω1 /2π=1.76 THz的吸收峰是KTP晶体中沿z轴排列的K+相对于PO4和TiO6晶格振动造成的光学外振动模.同时也说明THz波对于晶格弱振动非常敏感,对于微弱的光学声子吸收峰的频谱分析更加精准.     

Difference-frequency terahertz-wave generation from 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium-tosylate by use of an electronically tuned Ti:sapphire laser

Among nonlinear materials, the organic ionic salt crystal 4-dimethylamino- N -methyl-4-stilbazolium-tosylate (DAST) is known for its large nonlinearity. We generated a coherent terahertz (THz) wave, using DAST, from the difference frequency between two oscillating wavelengths of an electronically tuned Ti:sapphire laser. In LiNbO(3), LiTaO(3), KTiOPO(4), and GaP crystals, THz-wave generation was not observed under the same experimental conditions. This result proves the high efficiency of DAST crystals for generation of difference-frequency THz waves.     

Use of the organic crystal DAST for terahertz beam applications

We report the use of the organic crystal DAST as a freely propagating electromagnetic-wave sensor at terahertz (THz) frequency. We also report the result of using a DAST crystal as a mid-IR THz emitter. Compared with the optical rectification from our best ZnTe emitter, that obtained by use of DAST demonstrates a sixfold enhancement of radiation at 7-20 THz.     

Design and analysis of a metallic waveguide with a DAST cap for continuously phase-matched terahertz difference frequency generation

We present a novel source for continuous terahertz (THz) wave generation using an organic ionic salt, 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium-tosylate (DAST). THz waves are generated based on difference frequency generation (DFG) in the device. Phase matching condition and THz generation between 1.3 THz and 2.7 THz, for optical pump around 1.6 μm, are investigated. Our calculations predict that the device produces a relatively high THz output power of 11.07 μW from a 4 cm long waveguide at 2 THz.     

Widely tunable broadband terahertz radiation generation using a configurationally locked polyene 2-[3-(4-hydroxystyryl)-5,5-dimethylcyclohex-2-enylidene] malononitrile crystal via difference frequency generation

Widely tunable terahertz (THz) waves were successfully generated from 0.5 to 10 THz via difference frequency generation (DFG) in a configurationally locked polyene 2-[3-(4-hydroxystyryl)-5,5-dimethylcyclohex-2-enylidene] malononitrile (OH1) crystal. Potassium titanium oxide phosphate optical parametric oscillator pumped by nanosecond Q-switched Nd:YAG laser was used to generate two waves, which were then used to irradiate OH1 crystal. The maximum energy of the generated THz wave was about 461 pJ/pulse. We investigated the dependency of generated THz energy to the excitation pump power density and OH1 crystal thickness. In addition, we compared the THz energy generated by OH1 crystal to 4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-4-stilbazolium tosylate (DAST) crystal using DFG, and we achieved 560 times higher energy using OH1 crystal than DAST crystal at around 1.1 THz.     

Terahertz generation with tandem seeded optical parametric generators

A simple difference frequency generation (DFG) scheme based on two seeded optical parametric generators is presented as a tunable terahertz (THz) source. Using the nonlinear optical crystal 4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium-tosylate (DAST) as the DFG crystal, our system has demonstrated continuous and seamless tunable operation from 1.6 to 4.5 THz. The output bandwidth of the THz source is 2.4 GHz. The utility of the source over this spectral range is demonstrated by measuring a high-resolution transmission spectrum of water vapor in air.     

Dependence of THz Time-Domain Spectroscopy on the Crystal Thickness and Optical Width in Electro-Optic Sampling

The processes of electro-optical (EO) sampling of terahertz (THz) pulse were studied theoretically by considering the finite optical probe width and the double-sampling within the same THz pulse. The dependence of THz time-domain waveforms on the crystal thickness and optical width in EO sampling was revealed. Furthermore, the optimal thickness was analyzed, which shows whether or not an antireflection film coated for the optical probe beam is needed.     

Crystal and molecular structure of 2‐aminopyridinium‐ 4‐hydroxybenzenosulfonate—IR and Raman spectra,DFT calculations and physicochemical properties

A new organic–organic salt, 2‐aminopyridinium‐4‐hydroxybenzenosulfonate, has been synthesised and characterised by means of FT‐IR and FT‐Raman spectroscopies, differential scanning calorimetry (DSC) and single crystal X‐ray crystallography. Its vibrational spectra have been discussed on the basis of quantum chemical density functional theory (DFT) calculations using the B3LYP/6‐31G(d,p) approach. The role of the intermolecular interactions in this crystal is analysed. The N HċċċO interactions between the hydrogen atoms of the pyridinium cation and oxygen atoms of hydroxybenzenosulfonate anion built the supramolecular arrangement in three‐dimensional space. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.