超宽带太赫兹时域光谱探测技术研究进展

太赫兹时域光谱(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术是一种非常有效的相干探测技术,具有信噪比高,探测带宽,可在室温下工作,可进行时间分辨测量等特点,广泛应用于材料、化学、生物、安检等领域。较早时期的THz-TDS系统受限于太赫兹辐射源的带宽和光谱探测手段,测量范围有限(<5 THz),较高频段的光谱信息无法得到。为了进一步扩大太赫兹时域光谱探测技术的应用范围,迫切需要发展超宽带(≥10 THz)的太赫兹时域光谱探测技术。本文回顾了太赫兹时域光谱探测技术的发展进程,综述了实现超宽带太赫兹时域光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法的典型实验方案,同时总结了不同探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果以及最新的应用进展。     

太赫兹时域光谱技术在气体探测中的应用(英文)

太赫兹辐射是一种新型的远红外相干辐射源,近年来在不同的研究领域得到了广泛的应用。本文简要介绍了THz时域光谱技术;阐述了THz辐射应用于气体光谱的研究及其进展;比较了傅立叶变换,线性预测编码及小波变换算法在气体探测中的应用     

一氧化碳的太赫兹时域光谱研究

以飞秒激光为基础的太赫兹时域光谱技术是一种新型的相干远红外光谱测量技术。文章首次利用太赫兹时域光谱技术测量了一氧化碳气体在0.2～2.5太赫兹频谱范围内的吸收光谱。实验结果表明,一氧化碳在此波段有明显的特征吸收峰,峰值位置与理论计算得到的结果有很好的一致性。随着压强的减小,吸收峰变尖锐。研究一氧化碳的太赫兹吸收光谱特性,对于快速、准确检测环境中有害气体以及排除安全隐患具有重要意义。     

食用香料的太赫兹时域光谱

食用香料是人们在烹饪过程中必不可少的调味品,对食用香料的鉴别和食用安全性检测也尤为重要.本文利用太赫兹时域光谱技术对食用香料进行测试,得到了黑胡椒、白胡椒、花椒、大料、姜粉、甘草、香叶以及五香粉、十三香等香料在太赫波段的吸收谱和折射率谱.结果表明,不同种类的香料都有其独特的特征吸收光谱,样品的吸收谱在0.2～1.25THz频段内以不同的斜率单调递增,在1.25～2.0THz频段呈现出不同的吸收峰.样品的折射率值在1.3～1.8之间变化,并且,样品的折射率在其吸收峰所对应的频率处出现了反常色散.通过对吸收系数的斜率、峰值位置以及折射率进行定标分析,太赫兹时域光谱技术可以用于不同种香料的定性检测.实验数据为食用香料的鉴别提供了依据,可以用于建立食用香料的太赫兹波谱数据库.     

太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测

库存炸药老化情况的检测对炸药的性能、安全性和稳定性研究意义重大.现有的老化炸药检测手段,如扫描显微技术,傅里叶变换红外光谱技术,气相色谱-质谱技术等,或者不能分辨炸药老化与否,或者只能从表观上进行分析,不能反映炸药分子结构的变化.首先应用密度泛函理论(DFT),计算了炸药老化前后分子吸收频谱变化,从计算结果可以看出炸药分子老化前后的吸收光谱在老化前后变化明显;然后分析了太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统及其分辨率和测量频谱范围,结合已有实验结果以及太赫兹波本身的特点,从可行性、准确性和实用性三方面对太赫兹时域光谱技术应用于炸药老化检测进行了论证,从而提出了应用太赫兹时域光谱技术进行炸药老化检测的新方法.     

超快太赫兹时域光谱系统

超快太赫兹时域光谱系统是基于高速异步光学采样原理进行工作的,该系统使用2个重复频率可在1 GHz附近变化的飞秒振荡器,并使用高带宽反馈电路控制其重复频率。2个飞秒振荡器的重复频率存在Δf的失谐,一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz+Δf Hz,为泵浦脉冲;另一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz,为探测脉冲,由此提供泵浦脉冲和探针脉冲的时间差,时间延迟呈周期性变化,其扫描周期可以由1/Δf给出。此系统摒弃了传统THz-TDS系统所必需的机械延迟线,采用双光子探测器来产生触发信号。当设定Δf=1 kHz时,1 ms就可以探测出1个THz谱, 用时10.3 s即可得到动态范围为21 dB、频谱分辨率为5 GHz的太赫兹信号。该系统具有检测速度快和频谱分辨率高的优点,在需要快速测量的应用环境中有着传统太赫兹时域光谱系统不可比拟的优势。     

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     

对乙酰氨基酚的太赫兹时域光谱研究

太赫兹波由于其特有的透视性、安全性及光谱分辨本领高等特点,为太赫兹时域光谱技术(Terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS)在物质检测、物质结构辨别、物质定性及定量分析等方面的应用奠定了基础。药品,作为预防和治疗疾病并规定有适应症或者主治功能的物质,一直跟人们的生活息息相关。但是,近年来药品由于质量问题从而危害人们身体健康的新闻屡见不鲜,迫切需要行之有效的药品检测方法的呼声越来越多。而太赫兹时域光谱技术作为一种新型的无损检测的光谱技术,逐步开始被应用到药品检测中。基于此,采用太赫兹时域光谱技术研究了对乙酰氨基酚的太赫兹特征谱。首先,采用太赫兹时域光谱技术测试了对乙酰氨基酚在0.3～4.5 THz范围的太赫兹光谱,实验获取了六个特征吸收主峰和一个肩峰,分别位于1.46, 1.88, 2.11, 2.52, 2.95, 3.48和4.27 THz;接着,采用密度泛函理论对光谱进行解析,基于气态理论的计算结果,发现实验吸收峰有分子内作用力的贡献,但由于其未能考虑分子间作用力,无法全面对实验吸收峰进行解析;进一步,采用固态密度泛函理论模拟,经过实验和理...     

使用太赫兹技术研究航天飞机失事的原因

太赫兹脉冲成像技术被应用于航天飞机隔热层泡沫材料中缺陷的探测．通过对泡沫样品的各个层面进行逐点扫描，得到每个点太赫兹脉冲的时域波形，然后利用多种图像处理手段分析波形的变化，判断出不同层面缺陷的大小、形状、位置和种类．太赫兹成像技术作为一种可以提供多维信息的新兴无损探伤技术，将可能被美国宇航局应用到以后的发射过程中的安全检查中。     

太赫兹时域光谱技术对化学混合物的成分分析研究

不同化合物在太赫兹波段的吸收谱差别很大,所以存在用太赫兹光谱对化合物及混合物进行含量分析的可能。利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)技术测量VC和VB1各纯化合物吸收谱,基于化合物的吸收谱,采用线性回归技术,对VC和VB1混合物的太赫兹吸收谱进行分析,得到样品中各个混合成分的相对含量。通过以VC和VB1混合物的THz吸收谱的研究为例,证实了利用整个测量波段的频谱作为化合物的指纹特征来分析化学混合物的成分和相对含量是可行的。     

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。     

太赫兹吸收光谱的频率误差修正研究

在用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统测量样品THz吸收光谱的过程中,电光采样系统的采样误差往往导致测得的THz吸收频率与真实值间存在偏差。针对此问题,利用一氧化碳(CO)分子THz吸收峰的分布特性研究了对THz-TDS系统测量数据进行修正、从而提高THz吸收频率测量精度的方法。首先通过实验测得了2.0×105 Pa 压强下CO气体的一系列等间隔分布的THz吸收峰,然后把测得的吸收峰峰位与JPL标准数据库中CO分子的吸收频率进行对比,得到了实验数据的误差值。通过分析误差值随吸收频率的分布规律,发现二者间呈正线性相关,在此基础上拟合得到了实验数据的误差修正模型。用所建立的模型对实验数据进行修正后,最大误差值为3.36 GHz,较修正前降低了两个数量级,表明根据CO分子的THz吸收峰可有效修正THz-TDS系统的测量误差,从而提高THz吸收光谱的精度。本研究对材料分析识别以及分子光谱标准数据库的建立具有重要意义。     

太赫兹时域光谱与频域光谱研究综述

近年来太赫兹技术因其重要的理论研究价值和广泛的应用前景引起了科学界的普遍关注。太赫兹光谱技术作为太赫兹科学发展的主要方向之一,可分为频域光谱与时域光谱两种。它的出现解决了太赫兹波段下无法产生宽带辐射源的难题,使得光谱学上存在的太赫兹断层得以填补。随着这项技术的发展,对太赫兹波段下物质特性的研究也逐步拓展到生物医学、材料、通信、安检为代表的各个领域。从产生原理、性能特点、应用领域等方面对两种光谱进行比较,进而阐述了两种太赫兹光谱的优缺点以及其应用优势。     

基于太赫兹时域光谱技术的诺氟沙星浓度检测研究

畜禽养殖中抗生素的不合理使用导致畜禽产品中抗生素残留问题时有发生,进而通过食物链影响食品安全,威胁人类健康。准确、快速检测出抗生素药物的含量对保障食品安全具有重要意义。以残留较为常见的喹诺酮类诺氟沙星抗菌药为研究对象,开展基于太赫兹光谱技术的诺氟沙星较大梯度和较小梯度的全浓度含量检测研究。在较大梯度诺氟沙星样本中,首先,在1%～100%范围内设置了11个浓度,完成较大梯度压片样本制备;然后经太赫兹时域光谱系统扫描获取其时域光谱,提取样本的吸收系数,用卷积平滑S-G二项式拟合滤波去除噪声、平滑样本光谱数据。发现纯净的诺氟沙星在1.205 THz处存在一个强烈吸收峰,在0.816 THz处存在一个弱吸收峰。最后,利用逐步回归和连续投影法(SPA)选择变量并结合特征吸收峰进行多元线性回归建模预测分析。进一步在较小梯度诺氟沙星样本研究中,首先在浓度100 μg·mL-1(0.01%)以下设置了29个浓度系列,完成较小梯度溶液样本制备;然后获得其太赫兹时域光谱,用S-G二项式拟合滤波进行数据预处理,发现各浓度的吸收光谱未出现明显差异,最后利用逐步回归和连续投影法(SPA)选择变量结合特征吸收峰实现多元线性回归建模预测分析。结果表明：在较大梯度诺氟沙星样本中逐步回归选择变量的多元线性回归达到了模型最优(R_p=0.962, RMSEP=2.74%),准确率优于当前已有最优预测模型(R_p=0.867, RMSEP=16.6%);小梯度诺氟沙星样本的逐步回归选择变量的多元线性回归模型最优(R_p=0.728, RMSEP=18.79 μg·mL-1),该方法有一定的预测能力,但是准确率有待提升。利用太赫兹光谱技术实现了较全浓度诺氟沙星的检测,为后续诺氟沙星检测限的探索等进一步研究提供了一定的研究基础。     

电光聚合物在全光技术实现THz波产生与检测中的研究进展

研究和开发基于超短波和低能量激光系统的高振幅、宽频带的太赫兹系统一直是太赫兹应用领域的一个热点。与传统电光晶体材料相比,以电光聚合物薄膜作为太赫兹波产生和检测的最大的优势在于： 一方面电光聚合物不具有晶格结构相应的不存在声子的吸收和太赫兹折射率的散射问题,避免光谱间隙的产生;另一方面电光聚合物薄膜与已用于宽频太赫兹系统中的超薄电光晶体材料相比,更易于加工和处理。另外,可以自行设计得到低相位失配和高电光系数的电光聚合物材料,得到高效率和宽频带的太赫兹辐射源。可以预见,电光聚合物在这一领域的应用必将有宽阔的发展空间和学术研究意义。介绍电光聚合物的电光效应及二阶非线性生色团合成等相关理论问题基础上,综述了近二十多年来,电光聚合物在基于全光技术实现太赫兹波产生与检测系统中的研究进展,主要包括: 掺钛蓝宝石飞秒激光激发下,共聚型和主客体型电光聚合物实现太赫兹波产生与检测;光纤飞秒激光激发下,主客体型电光聚合物实现太赫兹波的产生与检测。     

太赫兹光谱和成像技术在食品安全检测中的应用

随着超快激光技术的快速发展以及人们对太赫兹辐射与物质作用机理的进一步认识,太赫兹辐射作为一项新的、快速发展的技术在很多领域受到广泛关注,在安全检测、医学诊断、无线通信和制药等诸多领域预示着广泛的应用前景。由于食品安全问题的重要性,食品安全的检测技术面临着巨大的机遇与挑战。太赫兹光谱与成像技术提供了一种新型的食品安全检测手段。相比于其他技术,THz技术具有高信噪比和动态范围宽等诸多特点, 能够同时获得样品在THz波段的时域信息与频域信息,以及对应的物质物理结构和化学成分等重要信息,在食品安全检测领域具有独特的优势。文章简要介绍了太赫兹波的概念、特点和技术手段,太赫兹辐射技术在食品安全领域的最新应用进展,并讨论了THz技术应用的限制因素, 展望了THz技术的应用前景。     

基于太赫兹时域光谱系统的转基因棉花种子主成分特性分析

运用太赫兹时域光谱技术对8种转基因棉花种子进行了探测研究.测量了转基因棉花种子在0.3~1.5THz频率范围的特征吸收谱,基于光谱分析,对比了8种转基因棉花种子吸收光谱的异同,并采用主成分分析法对其做了定性分析,得到了光谱分析的相关数据.提取了三种主成分因子,前三种主成分的累计方差贡献率达到了71.537%,从主成分得分图中可以明显区分不同类别的转基因棉花种子.太赫兹时域光谱技术能够实现对转基因棉花种子的无损检测,在农业选种、农业安全等领域将有广阔的应用价值.     

基于太赫兹时域光谱的食用油过氧化值定量分析研究

针对目前太赫兹光谱技术在食用油品质检测方面存在定性多、定量难的问题,提出一种基于衰减全反射（ATR）式太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术的食用油过氧化值定量分析方法。首先采集不同种类、不同氧化程度食用油样本的太赫兹时域光谱图,筛选有效信号波段并提取得到光学常数,经预处理算法校正后的光学常数,结合多种化学计量学方法建立定量分析模型,实现快速、无损预测食用油的过氧化值。70个实验样本包括大豆油、菜籽油和玉米,过氧化值覆盖范围0.41~10.23 mmol·kg-1,且样本的过氧化值均匀分布。采用TeraView公司生产配有ATR检测模块的TeraPulse 4000太赫兹脉冲光谱系统采集样本THz-TDS信号,根据THz-TDS谱图信号特征筛选有效波段10~86.78 cm-1用于建模分析。通过快速傅里叶变换得到频域信号并从中提取光学常数：折射率和吸收系数,采用Savitzky-Golay7点卷积平滑分别对折射率和吸收系数进行预处理,去除干扰信号。运用SPXY算法按照3∶1比例划分校正集和预测集样本,结合主成分回归法、偏最小二乘法两种化学计量学分析方法,分别建立基于折射率和基于吸收系数的过氧化值分析模型。对模型评价指标均方根误差和相关系数进行分析,基于折射率的过氧化值分析模型采用偏最小二乘算法建模预测精度最理想,选取最优主成分数为6时,其校正集均方根误差RMSEC为0.168%、决定系数R2为0.981,预测集均方根误差RMSEP为0.231%、决定系数r2为0.977;基于吸收系数的过氧化值分析模型则采用主成分回归算法建模预测模型稳健度最好,选取最优主成分数为10时,其校正均方根误差RMSEC为0.192%、校正集决定系数R2为0.979,预测均方根误差RMSEP为0.262%、预测集决定系数r2为0.97。该研究结果的得出,验证了THz-TDS技术用于食用油过氧化值定量分析的可行性,为食用油的品质评价找到一种高精度、性能稳定、快速无损的检测方法。     

结合组织芯片技术的人体胃管状腺癌组织太赫兹光谱检测

太赫兹波技术在生物医学领域具有广泛应用前景,结合人体胃管状腺癌组织检测,针对太赫兹时域光谱（THz-TDS）组织检测点位与实际病理难以配准的问题,在处理石蜡包埋的胃组织的过程中引入组织芯片技术,为实验样本的精准定位检测提供了可行方法。开展了人体胃正常组织和癌变组织太赫兹检测实验,结合主成分分析方法,对比分析了组织芯片技术配准的实验组与未配准的对照组的太赫兹吸收系数和折射率谱。此外对比研究了采用支持向量机和逻辑回归的太赫兹胃管状腺癌判别方法。研究结果表明,使用组织芯片方法有助于提升组织取材的精准性从而提高癌变样本和正常样本光谱数据的区分效果。     

(Pb,La)Ti03铁电薄膜的太赫兹时域光谱实验研究

利用THz时域光谱技术(THz-TDS)探测了制作在SiO2/Si衬底上的(Pb,La)TiO3铁电薄膜的频谱响应,获得了三种不同烧结温度的掺镧钛酸铅(PLT)薄膜的THz频谱.根据实验数据计算得到了PLT薄膜在0.2～3 THz频段内的吸收系数、折射率和复介电常数,并对比了三种不同烧结温度的PLT薄膜的实验计算结果.实验结果表明,三种PLT薄膜在所测频段内均有较强吸收,且都在1.5 THz处有一个明显的吸收峰,在2.25 THz处有一个相对较弱的吸收峰.