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0.2～1THz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。     

CaCu_3Ti_4O_(12)陶瓷在太赫兹频段的介电特性研究

针对太赫兹(1 THz=1012Hz)电容器件发展的需求,研究了呈现巨介电和不呈现巨介电两种状态Ca Cu3Ti4O12(CCTO)陶瓷在THz波段的介电响应特性。在微波波段,小颗粒(Φ2μm)CCTO的介电常数εr700,无巨介电特征,而大颗粒(Φ10μm)CCTO的εr2000,呈现巨介电特征;两组CCTO陶瓷的介电损耗值Tanδ在0.1~0.6之间。然而,在THz波段,两种颗粒度CCTO的介电常数几乎完全相等(εr=72±3),且损耗不超过0.18。实验结果表明,CCTO陶瓷组分的离子极化率主导了在THz波段的介电常数εr,而大颗粒CCTO对THz电磁波的散射超过小颗粒CCTO,导致介电损耗值Tanδ上升。因此,在THz波段,降低CCTO颗粒大小不会影响介电常数,反而能够降低介电损耗。这一结果表明CCTO陶瓷是制备THz波段电容的理想介电材料。     

非线性光学晶体硼酸镧钠(Na_3La_9B_8O_(27))的光谱研究

测量了Na3La9B8O27晶体在紫外-可见光-红外波段的透射光谱和反射光谱,分析得到其在上述波段的吸收光谱。在波长400nm~2000nm范围内,透射比超过80%,禁带宽度为3.93eV,没有明显的缺陷和杂质吸收。测量了该晶体在太赫兹波段的时域光谱,分析得到其在上述波段的吸收光谱、折射光谱,且通过光学常数之间的关系,得到其介电常数ε曲线。在0.3~1.5THz内吸收小于10cm-1。在0.3~2.4THz内,介电常熟实部ε1成近似线性递增趋势,介电常熟虚部ε2小于0.03。     

组氨酸和精氨酸的太赫兹光谱研究

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)测试和理论模拟相结合的方法，研究了组氨酸和精氨酸在THz波段的光谱特性.THz-TDS测试的有效光谱范围为0.2—2.8 THz，在该波段得到样品的特征吸收峰分别位于0.88，1.64，2.23 THz(组氨酸)和0.99，1.47，2.60 THz(精氨酸)；运用Gaussian03半经验理论PM3和AM1算法，计算了两种分子在0.1—10.0 THz波段的振动吸收谱，结果表明它们在该波段均具有多个特征吸收，其中在0.2—2.8 THz波段的吸收峰位与实验吸收峰位相互对应并且符合较好；给出了与光谱特征吸收对应的分子振转模型，为认识分子对THz波的响应机制提供了帮助，也为分子鉴别及更宽有效光谱区的实验测试研究提供了科学依据. 关键词： 太赫兹(THz) 半经验理论 THz时域光谱 氨基酸     

芳香族氨基酸的太赫兹光谱研究

利用太赫兹时域光谱研究了三种芳香族氨基酸，即酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸，在02—1 6THz波段的光学特性，得到了对应的吸收谱.对比各自的吸收谱发现，酪氨酸和色氨酸分 别在0976THz和1465THz有明显的吸收峰，而苯丙氨酸则没有明显的吸收峰.利用密度泛 函(DFT)理论初步计算表明，氨基酸在THz波段的吸收是由分子转动或扭动造成的，氨基酸的 不同结构造成了它们在THz波段不同的吸收峰位.另外，还得到了三种氨基酸在该波段的折射 率谱并首次定量给出了三种氨基酸在02—16THz波段的平均折射率.酪氨酸、色氨酸和苯 丙氨酸的平均折射率分别为1507，1526和1686.这项研究不仅为研究生物分子结构和 动力学提供了新的理论和实验方法，而且对进一步利用THz时域光谱研究其他生物大分子具 有借鉴意义. 关键词： 太赫兹(THz)时域光谱 芳香族氨基酸 吸收谱 分子动力学     

L-抗坏血酸的太赫兹波时域光谱研究

文章从理论分析和实验研究两方面探讨了L-抗坏血酸分子在0.2～2.4 THz波段的光谱特性。应用密度泛函理论的Becke-3-Lee-Yang-Parr（B3LYP）方法计算了L-抗坏血酸分子在THz波段的振动吸收谱,同时利用THz时域光谱系统（THz-TDS）测得了L-抗坏血酸在此波段的吸收谱和折射率谱。根据理论计算结果,借助于Gaussian View软件对L-抗坏血酸的THz吸收谱进行了指认。最后将L-抗坏血酸分子和市售维生素C药片的THz吸收谱进行了比较。研究表明,L-抗坏血酸分子在THz波段存在吸收峰,理论计算结果与实验结果符合较好,且这些吸收是由分子内和分子间振动共同引起的。与市售维生素C药片的吸收谱比较表明,L-抗坏血酸的吸收峰在维生素C药片的太赫兹吸收谱中均有反映。研究结果有助于进一步理解L-抗坏血酸的生物作用,为应用THz-TDS技术进行L-抗坏血酸的定量分析提供了依据。     

雾天气中THz与红外的传输特性

基于HITRAN数据库,对比了大气主要成份分子对THz波段的吸收.从Mie理论出发,结合雾滴粒子谱分布,分析了不同波长信号雾滴粒子群的平均体系散射特性.采用蒙特卡罗方法,得到了红外波段和THz波段雾天气的透过率、反射率,以及前向、后向散射强度.结果表明:THz波段内,频率越低,透过率越高,反射率越低,后向散射强度越小;相同传输距离下,THz波段比红外波段具有更好的透射能力;相同散射角下,红外波段信号前向散射强度大于THz波段.该研究结果对THz技术在大气空间中的应用具有重要意义.     

阿托品和L-天仙子胺的太赫兹光谱分析

利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)在室温(298K)和低温(90K)下对阿托品和L-天仙子胺在o.2-1.8THz范围内进行了光谱测量,发现阿托品和L-天仙子胺在太赫兹波段存在各自明显的特征吸收峰,可作为其在THz波段的指纹谱.该研究结果为快速无损鉴别左旋体L-天仙子胺和其消旋体阿托品提供了一种新的检测手段.     

基于平行金属双柱的太赫兹波二维左手材料

基于产生负介电常数的周期性金属线单元结构,利用平行金属双柱设计了具有双负通带的两种太赫兹波段二维左手材料。应用时域有限积分算法研究了二维左手材料的传输特性,仿真结果表明,在0.76THz附近,平行金属双柱的表面电荷振荡与反向平行电流引发了电磁谐振,出现良好的负折射效应。在0.75～0.78THz之间同时具有负等效磁导率和负等效介电常数,双负通带带宽约为0.03THz。进一步研究了金属双柱间距、长度及基板厚度等结构参数对双负通带带宽的影响。研究结果为太赫兹波段左手材料的设计和研制提供了参考。     

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。     

温度对PEEK太赫兹光谱特性影响研究

聚醚醚酮（PEEK）由于其耐热、耐腐蚀、耐辐照、抗疲劳、电绝缘性等优良性能,在许多领域可以代替金属、陶瓷等传统材料而得到广泛应用。特别是随着5G技术的发展和应用,PEEK已经成为5G热门材料。在PEEK材料实际应用中,温度的影响是一个非常重要和关键的因素。主要研究了PEEK太赫兹光谱以及温度对PEEK太赫兹光谱特性的影响。通过利用太赫兹透射光谱技术,同时结合控温装置,在温度从25～300 ℃均匀上升过程中,每间隔5 ℃测试得到PEEK片状样品的太赫兹时域光谱数据,利用光学参数提取算法可以得到PEEK的吸收系数、介电常数等光学参数,进一步得到特定频率下光学常数随温度的变化趋势,从而对材料进行表征和分析。在0.5～4 THz有效光谱范围内,实验结果表明,在常温（25 ℃）下,PEEK在3.5 THz具有一个明显的特征吸收峰。在25～300 ℃这个温度范围内,在1 THz频率下,PEEK的吸收系数、介电常数相对于室温分别有4.38%和5.0%的波动,同时PEEK在常温下在1 THz的介电损耗正切值为2.5×10-3,相比于PMMA和PE等高分子材料,PEEK的介电损耗正切值要低得多,且在升温过程保持相对稳定,表明PEEK在太赫兹频段的光谱特性具有很好的热稳定性和较低的介电损耗。研究结果表明,太赫兹光谱技术可以结合温控装置,通过材料的光学参数对高分子材料热稳定性进行研究和表征,同时还可以得到材料在不同温度下的介电性质。太赫兹光谱技术具有快速、高效、无标记、无损伤等优势,只需要压片就可以对固体样品进行测试,对于研究材料内部缺陷、稳定性以及材料的鉴别等具有很好的研究意义。同时本实验的测试数据可以为PEEK材料在不同温度下5G和6G等高频通信应用提供参考。     

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.     

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0.23～0.375THz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3.87×10-4cm-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.     

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。     

β-Zn3BPO7非线性光学晶体的光谱特性

测量了β-Zn3BPO7晶体(001)方向的红外－可见－紫外光波段的透射与反射光谱, 从而得到反射谱R透射谱T, 以及吸收系数, 并得出样品的禁带能隙Eg=3.198 eV。利用太赫兹时域光谱(THz—TDS)测量技术, 测量了THz辐射脉冲参考波形和透过样品后的信号波形, 进行傅立叶变换和简单的数学处理, 得到β-Zn3BPO7样品的介电系数的实部和虚部, 以及吸收系数的变化频谱α(ν)。在1.396, 2.002, 2.476和2.674 THz处, 分别存在明显的共振吸收峰。在THz波段的吸收较小, 特别是在0.5 T到1.5 T之间, 吸收几乎接近于零, 而样品在高频端有吸收增大的趋势。     

MgF2单晶的THz光谱研究

利用THz时域光谱技术对MgF₂晶体(样品1)和MgF₂：Co晶体(样品2)在0.5—2.5 THz的吸收特性进行了研究.在0.5—2.5 THz波段，样品1吸收系数α(ν)随频率ν增加而增大，最大值为24 cm^-1.样品2的吸收系数比样品1大得多，Co掺杂使晶格吸收带边向低频移动，而且样品2在1.9 THz有吸收峰，吸收系数达到70 cm^-1，由此求出F^--Co²⁺离子键伸缩振动的键力常数K为3.40×10^-2　N/cm.这一结果表明，THz光谱分析有可能成为研究晶体化学键的一种重要手段.利用光学常数之间的关系计算了两个样品在0.5—2.5 THz的介电函数的实部ε₁(ν)，得到样品1的ε₁(ν)值在4.67至4.73之间，样品2的ε₁(ν)值在4.62至5.01之间. 关键词： THz辐射 光谱 2晶体')" href="#">MgF₂晶体     

Terahertz demonstrations of effectively two-dimensional photonic bandgap structures

We demonstrate effectively two-dimensional (2D) terahertz (THz) photonic bandgap (PBG) structures for transverse electromagnetic (TEM) mode propagation within metal parallel plate waveguides (PPWG). The 2D-PBG structures consisting of square arrays of dielectric cylinders were characterized by THz time-domain spectroscopy (THz-TDS). THz photonic bandgaps were observed, as determined by the 160 mum lattice constant, the 65 mum diameter, and the dielectric constant of the cylinders. The experimental measurements were fitted with excellent agreement to 2D theory, confirming that for TEM mode propagation, effectively 2D propagation experiments can be achieved within the bounded space of the PPWG.     

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.     

Terahertz photonic states in semiconductor-graphene cylinder structures

We propose a semiconductor-graphene cylinder that can serve as a terahertz (THz) photonic crystal. In such a structure, graphene plays a role in achieving a strong mismatch of the dielectric constant at the semiconductor-graphene interface due to its two-dimensional nature and relatively low value of the dielectric constant. We find that when the radius of the outer semiconductor layer is about ρ(1)~100 μm, the frequencies of the photonic modes are within the THz bandwidth and they can be efficiently tuned via varying ρ(1). Furthermore, the dispersion relation of the photonic modes shows that a semiconductor-graphene cylinder is of excellent light transport properties, which can be utilized for the THz waveguide. This study is pertinent to the application of graphene as THz photonic devices.