太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术是最新的太赫兹技术,它基于宽波段太赫兹脉冲,可同时获得太赫兹波形的幅度和相位信息,在材料的远红外物性研究中有重要应用。本文涉及太赫兹时域光谱技术的基本特征、发射、探测技术和主要应用。     

基于太赫兹时域光谱技术的水蒸气传输特性研究

为了评估太赫兹波在空间通信、雷达、遥感等方面的潜在应用,需要研究太赫兹波在大气中的传输特性。由于0.1～2 THz的太赫兹波在大气中传输的主要衰减来自水蒸气,采用太赫兹时域光谱技术(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS),在2 m长的太赫兹传输行程中对不同湿度的空气进行了透射光谱测量,获得了水蒸气在0.1～2THz频率范围内的吸收谱、传输率和弱衰减窗口。     

基于太赫兹时域光谱的半导体材料参数测量

根据太赫兹时域光谱系统(TDS)的测量原理,提出了一个考虑F-P效应的半导体材料参数测量方案.利用该方案可以在时域波形中,截取多个反射回峰,以提高材料参数提取的精确度.另外,考虑到多重反射对样品厚度的准确性要求较高,提出了一种有效的厚度优化方法.以GaAs为待测样品,利用上述方法精确提取了其折射率与消光系数谱.并采用返波振荡器(BWO)作为太赫兹辐射源对相同样品进行测量,有效的验证了使用TDS系统对半导体材料参数测量的准确性.     

太赫兹时域光谱反射式层析成像技术

改性聚丙烯（PP）材料由于其阻燃、高抗冲性能等特点被广泛应用在汽车仪表板、保险杠等汽车配件中,采用无损探伤技术对改性PP材料进行检测是汽车配件质量保证的必要手段。搭建了透射式太赫兹时域光谱系统及反射式太赫兹时域光谱成像系统,采用透射式THz-TDS系统对改性PP材料的光学参数进行了检测,测定了该材料在太赫兹波段的折射率,其数值为1.53。设计了一种改性PP材料平底洞样品,采用反射式THz-TDS成像系统对其进行成像,采用了反卷积滤波技术对THz信号进行处理,提高了信号的信噪比,提出了一种基于飞行时间的太赫兹时域光谱层析成像技术,采用已测定的改性PP材料的折射率,通过飞行时间层析成像技术对该样品的太赫兹检测结果进行了三维重构,厚度测量精度为0.01mm。     

基于太赫兹时域光谱技术的四种基原郁金的鉴别研究

郁金作为行气活血、通经止痛的要药,近年来受到广泛的关注.为了对四种郁金的道地性和基原进行鉴别和质量控制,采用太赫兹时域光谱技术结合化学计量法(支持向量机法、主成分分析法)对郁金的四种基原进行分类和鉴别.构建了斜坡耗损多类支持向量机(Ramp Loss K-SVC)法、随机森林(RF)法和极限学习机算法(ELM)的三种模型对四种不同基原的郁金进行区分,并开发了Ramp Loss K-SVC方法,优化了模型参数,使四种郁金的鉴别率提高至93％.该研究为容易混淆的四种基原郁金鉴别提供一种新兴的鉴别技术.     

一种利用透射式太赫兹时域光谱技术精确提取样品折射率的方法

运用透射式太赫兹时域光谱技术提取可区分回波样品折射率,主要依靠测得信号的相位差计算得到.具体有两种方法:一是利用参考脉冲和太赫兹波第一次透过样品的脉冲信号,二是利用太赫兹波第一次透过样品的脉冲信号和经样品内部反射两次后的第二个透射信号.实际操作中入射光束与样品表面法线存在夹角,该夹角不易测量,计算时通常忽略,这会最终引起折射率的测量误差,且该误差与选用的折射率提取方法有关.在分析两种方法因夹角引起误差的基础上,提出一种全新的折射率修正方法,该方法能从理论上消除夹角引起的误差,同时实验验证了该方法的有效性.     

运用太赫兹时域光谱技术定量分析柴油的含硫量

测量柴油样品的太赫兹时域光谱并对其含硫量进行了定量计算.在0.2 ～1.5 THz范围内,柴油的吸收系数随着太赫兹频率和硫含量呈规律性递增.基于这一变化关系建立起了硫含量与太赫兹吸收系数和频率的多元非线性模型,通过测量柴油的太赫兹光谱代入此模型即可计算出柴油的硫含量.这一结果为太赫兹时域光谱技术应用于柴油含硫量的无损快速检测奠定了理论基础,显示出巨大的应用前景.     

烷基化汽油中烃类物质含量的太赫兹时域光谱研究

应用太赫兹时域光谱技术研究了烷基化汽油中烯烃在太赫兹波段的性质。以烷基化汽油中的2,4,4-三甲基戊烯为例,分析了其不同浓度在太赫兹波段产生的光谱响应。结果表明, 对于烯烃含量不同的烷基化汽油,其信号中的峰强具有明显不同,并浓度的变化呈线性变化。利用时域谱最大值和最小值之和拟合而成的预测曲线对两种未知浓度样品进行预测,其误差均小于0.5%。同时对其不同频率下的吸收系数进行拟合与分析。根据太赫兹光谱最原始的幅值信息及其吸收系数可对其中烯烃含量进行快速定性,甚至是定量分析, 为烷基化汽油中烃含量和品质的定量检测作基础。     

用H01型圆柱谐振腔测量介质材料介电常数的原理及方法

讨论H01型圆柱谐振腔的测试原理;详细介绍了用圆柱谐振腔测量介质材料相对介电常数及损耗角正切的方法.     

Terahertz Time-Domain Spectroscopy for Material Characterization

Terahertz time-domain spectroscopy is used to study properties of nonpolar amorphous materials. Terahertz absorption spectra and refractive indices were measured in a number of glasses, lubricating oils, and polymers, and the results were correlated with material properties.     

基于太赫兹时域光谱的壁画信息提取的可行性研究

采用太赫兹时域光谱技术对传统中国壁画的部分制作流程进行了分析,获得了壁画制作每个流程的太赫兹时域反射谱。研究了传统中国壁画在0.2～1.0 THz频率范围内的太赫兹光谱特性,得到了其在室温环境下的太赫兹吸收谱和折射率。结果表明,各样品的折射率平均值和吸收系数的峰值频率差异显著。研究结果能为太赫兹时域光谱技术在壁画信息提取领域的应用提供参考。     

太赫兹时域光谱技术检测复合材料与金属的脱粘缺陷

基于太赫兹时域光谱技术,提出应用太赫兹脉冲成像技术检测胶接结构中的脱粘缺陷,研究泡沫材料PMI与钢板胶接结构脱粘缺陷的检测.实验采用反射模式,分别对粘合部分与脱粘部分进行数据测试,对比分析发现数据在时域和频域范围均有明显区别.对待测样品进行二维扫描,应用太赫兹时域信号的时间位置幅值、最大值、延迟时间和频域信号不同频点的幅值、所有频点幅值叠加值对待测样品进行成像.研究结果表明基于太赫兹时域光谱技术的太赫兹脉冲成像技术能够检测出泡沫材料PMI与钢板胶接结构的脱粘缺陷;应用太赫兹时域信号的时间位置幅值、最大值、延迟时间和频域信号不同频点的幅值、所有频点幅值叠加值进行成像的结果,均可以分辨出样品的脱粘缺陷;不同的数据信息的成像效果不同.     

Comparative Study of Material Parameter Extraction Using Terahertz Time-Domain Spectroscopy in Transmission and in Reflection

As no terahertz signal is transmitted through opaque materials, reflection terahertz time-domain spectroscopy is obviously the dedicated setup. On the other hand, optical properties of transparent and thick samples are extracted more accurately with transmission terahertz time-domain spectroscopy. In this paper, we report the intrinsic frontier above or below which it is preferable to use either reflection or transmission setup for probing with the best accuracy possible a given sample.     

Polarization-Resolved Terahertz Time-Domain Spectroscopy

Measuring the full polarization state of radiation in terahertz time-domain spectroscopy has allowed scientists to study a number of complex dielectric anisotropic properties of materials that could not be easily measured before. Novel polarization sensitive photoconductive detectors have simplified this task and their development has been a significant challenge. In this review I will present some of these devices and will also discuss some of the most recent studies that involve the use of polarization resolved terahertz spectroscopy.     

Terahertz Time-Domain Spectroscopy and Its Applications

The terahertz time-domain spectroscopy(THz-TDS)system and the related technology and the applications in Capital Normal University are presented.The most often used THz-TDS system as a spectroscopic measurement setup in our lab is introduced in detail,including the THz radiation source,the THz detection method and its measurement,and the control system.THz spectra of various materials is summarized and discussed.These materials include but not limited to two kinds of typical matter—the illegal drugs and explosives.The biological macro-molecules,cosmetics and fine chemical materials,edible pigments and food additives,homocysteic acid and related compounds,heavy ions in soil,Chinese medicines,tobacco and crops,oil and chemical products,carbon nanotubes,superconductors,and various semiconductors and their heterojunctions,are presented.THz emissions from the InAs and InN semiconductors surface are compared.THz spectral investigation of metallic mesh structures is summarized.Finally,an outlook of THz spectroscopic applications is given.     

High Resolution Waveguide Terahertz Time-Domain Spectroscopy

Terahertz time-domain spectroscopy accesses the frequency range between 100 GHz and 5 THz by using the coherent generation and detection based on femtosecond laser sources. On the way to obtain fingerprint absorption spectra of molecular solids, terahertz waveguides have proven to be a valuable tool to extend the results to narrow and high resolution linewidths of crystalline solids. We will discuss the development, properties and applications of terahertz waveguide geometries for spectroscopic applications, in particular high-resolution measurements using parallel-plate waveguides.