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。     

太赫兹波段金属线栅的紫外光控特性研究

基于氧化铟纳米薄膜及金属线栅的特性,利用紫外激光诱导以金属线栅为衬底的氧化铟纳米结构,研究其对于太赫兹偏振透射的调制特性。实验中在金属线栅上滴入溶于乙醇的氧化铟溶液,并使溶液恰好浸润在金属线栅缝隙中,同时将加热台的温度调至340 ℃,对金属线栅中的氧化铟进行热退火。结果表明,氧化铟-金属线栅线长方向与太赫兹电场偏振方向垂直时,在低强度紫外光的照射下,该样品对太赫兹的透射强度有较为明显的衰减,当紫外光功率密度为7 mW·cm-2时,样品对太赫兹的调制深度可达71%;当氧化铟-金属线栅线长方向与太赫兹电场偏振方向平行时,紫外光激发下的样品对太赫兹的调制效果明显减弱,当紫外光功率密度为7 mW·cm-2时,调制深度约为20%。氧化铟纳米薄膜中存在的氧空位,使该材料对紫外光具有特殊响应。在无紫外光照射下,样品环境中的氧气分子被吸附到氧化铟表面,由于化学反应生成O2-离子态。当用光子能量大于氧化铟禁带宽度的紫外光激发样品时,在氧化铟表面激发出电子空穴对,空穴会被氧化铟表面的O2-离子态和缺陷态束缚,从而释放电子到导带,增强了样品的电导率。在太赫兹波频段内,透过氧化铟样品的太赫兹强度与氧化铟电导率有很好的相关性。金属线栅利用金属表面可存在的自由电子的振荡, 使电场方向与线栅方向平行的太赫兹偏振光激发电子沿线栅方向振荡,当电子与金属晶格中的原子碰撞时,此偏振光发生衰减并伴随辐射;而电场方向与线栅方向垂直的太赫兹偏振光,由于周期性结构的限制,无法激发自由电子振荡, 主要表现出透射特性。结合氧化铟的表面缺陷特性,紫外光可实现作为氧化铟-金属线栅结构的光控偏振开关作用,氧化铟-金属线栅结构偏振器能很好地应用于太赫兹波频段的光控偏振调制。     

基于光学传输矩阵的太赫兹时域光谱分析

提出了基于光学传输矩阵的提取太赫兹时域光谱光学参数的理论方法。相比于传统的提取主脉冲方法,该方法在未来可以推广用以分析主脉冲与次脉冲无法分辨的太赫兹时域光谱。利用该方法得到了蓝宝石(α-Al2O3)样品在0.3~1.0太赫兹频段的复折射率。通过与利用提取主脉冲方法得到的复折射率的结果比较,验证了基于光学传输矩阵的理论分析方法的可靠性和精确性。所提出的方法为今后主次脉冲无法分辨的太赫兹时域光谱的准确分析提供了坚实的理论基础。     

太赫兹波段下金属狭缝的透射增强特性研究

用太赫兹时域光谱技术研究了具有不同宽度的金属狭缝透射光谱特征. 实验结果显示在实验测量有效光谱范围(02 THz—26 THz)内,当狭缝宽度小到一定程度,在频谱中出现了共振增强,具有明显的带通带阻现象,并在理论上分析了这种共振透射现象的原因. 关键词： 表面等离子体 太赫兹脉冲 时域光谱技术 金属狭缝     

玉米油光学参数的太赫兹波精确测定研究

利用太赫兹电磁波时域光谱（THz-TDS）技术对玉米油进行了测量.考虑容器对参数测量的影响,使用传输函数逼近方法来计算分析玉米油的折射率、吸收系数等重要的光学参数.与传统的太赫兹电磁波数值计算方法比较,传输函数逼近方法在分析玉米油的光学参数方面具有很高精度.结果表明,该测量分析方法对植物油品质检测具有重要指导意义. 关键词： 太赫兹时域谱 玉米油 光学参数 吸收系数     

太赫兹波段火焰碳黑的光学特性研究

火焰碳黑是碳氢燃料不完全燃烧的重要固体产物,对于一些污染物的生成具有重要影响,其光学特性是光学燃烧诊断的基础。利用太赫兹时域光谱技术研究了0.2～1.6 THz火焰碳黑的光学特性,通过傅里叶变换得到了碳黑的频域光谱,利用定点迭代法获得了太赫兹波段火焰碳黑的复折射率,把太赫兹波段的复折射率与热辐射波段的复折射率进行了比较,此外还对比了两种光学参数提取方法所得到的结果,结果表明,碳黑在太赫兹波段的吸收性较强,其折射率在太赫兹波段与在热辐射波段的差别不是很大,而吸收率在热辐射波段变化更大一些,两种参数提取方法得到的复折射率差别不是很大,研究结果可为太赫兹波技术应用于光学燃烧诊断提供基础性数据,扩展了光学燃烧诊断应用的范围。     

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.     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

牙本质龋的太赫兹成像研究

牙本质龋与牙髓感染状态及活力密切相关,龋损深度则决定临床治疗方案,但目前牙本质龋的检测及诊断方法如：视诊、探诊容易受到主观因素影响;X线辅助检查对龋病灵敏度低等,都有一定缺陷,可靠性及有效性仍有待提高。太赫兹时域光谱可以利用不同的物理参数成像,在牙本质龋在体、无损检测方面有较大应用潜力。为探索牙本质龋损的太赫兹光谱图像开展本研究。实验通过搭建透射、反射式扫描太赫兹平台,对15枚含牙本质龋离体牙磨片扫描,通过数据二维重构,获得了不同参数的太赫兹透射和反射图像,再将太赫兹图像与实验室研究龋病的光镜图像与X线图像对比、拟合并进行光镜下、太赫兹图像下龋损面积评价。结果表明：太赫兹图像与光镜图像相符,较X线图像灵敏度更高。反射模式下由于太赫兹反射信号较弱,使得样品厚度,表面粗糙程度以及系统噪声对实验结果影响较大,图像仅能辨识样本轮廓,不能用于区分牙釉质、牙本质及牙本质龋。透射模式下的频域1.4 THz相位差成像、时域信号最小值对应的时间成像都能区分牙釉质,牙本质和牙本质龋,可以用来鉴别三者,其中最小值对应的时间成像效果最佳。对光镜下测得牙本质龋损面积与太赫兹透射模式下的时域信号最小值对应的时间图...     

太赫兹技术在爆炸物检测中的应用

研究了太赫兹成像技术在爆炸物探测中的应用,分析了太赫兹透射型时域光谱系统的实验装置,介绍了太赫兹时域光谱的测量步骤。确定了四种爆炸物样品(TNT,RDX,DNT,HMX)在太赫兹波段的吸收谱。结果表明,这四种爆炸物样品在0~2.5THz的频率范围内均存在特征吸收峰,这为太赫兹技术检测爆炸物提供了一种有效的途径。     

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     

Precisely optical material parameter determination by time domain waveform rebuilding with THz time-domain spectroscopy

We offer an innovative optical material parameter extraction algorithm for Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS). Unlike previously reported extraction algorithms in frequency domain, which have to be compromised between amplitude and phase, or the real part and imaginary part of the transfer function, we calculate material parameters by minimizing the difference between the measured sample waveform and the rebuilt one in time domain. The new method is effectively verified by different samples, and can be used either in transmission mode or in reflection mode for THz-TDS.     

Practical method to estimate the standard deviation in absorption coefficients measured with THz time-domain spectroscopy

A model of standard deviation in the intensity spectrum of electric field observed with the terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is proposed to estimate the random error in the transmittance and absorption coefficients from a single or a few measurements of a sample. The proposed standard deviation which is derived on the basis of the statistical standard deviation and noise floor of intensity spectrum of reference fits well to the standard deviation of transmittance as well as absorption coefficient computed statistically. This study contributes the simple and computationally efficient method to demonstrate the accuracy in optical constants like imaginary part of refractive index and absorption coefficients measured using the THz-TDS.     

Influence of X-ray irradiation on the optical properties of CoMTPP thin films

Thin films of 5,10,15,20-Tetrakis (4-methoxyphenyl)-21H,23H-porphine cobalt (II), CoMTPP were prepared at room temperature (300K) by the thermal evaporation technique under vacuum pressure about 2 × 10^− 4Pa. The X-ray diffraction patterns showed the amorphous nature for the as-deposited and the irradiated films, whereas the powder has shown a polycrystalline with triclinic structure. Miller's indices, hkl, values for each diffraction peak in the XRD spectrum were calculated. Optical properties of CoMTPP thin films were characterized by using spectrophotometric measurements of transmittance and reflectance in the spectral range from 200 to 2500 nm. The refractive index, n, and the absorption index, k, were calculated. The obtained data were used to estimate the type of transitions and the optical and fundamental gaps before and after X-ray irradiation. In addition, the normal dispersion of the refractive index is discussed in terms of lorentz-lorentz free single oscillator model and modified lorentz Drude model of free carrier contribution.     

Effects of gain saturation on terahertz radiation via optical difference frequency generation

Numerical studies on stability of terahertz (THz) radiation generation based on difference frequency generation in nonlinear crystals are reported. When the gain saturation is achieved at a wavelength that corresponds to an optimal crystal length, the maximal output of THz radiation could be obtained. As a result of crystal absorption, the gain saturation region of THz radiation is unstable region for output. The stability of THz radiation is determined by the stability of pump in the stable region where behind of the gain saturation.     

THz wave sensing for petroleum industrial applications

We present the results of terahertz (THz) sensing of gasoline products. The frequency-dependent absorption coefficients, refractive indices, and complex dielectric constants of gasoline and xylene isomers were extracted in the spectral range from 0.5–3.0 THz. The THz spectra of gasoline (#87, #89, #93) and related BTEX (benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene) compounds were studied by using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) in the 1.5–20 THz (50–660 cm⁻¹). The xylene isomers, which are used as antiknock agent in gasoline were determined quantitatively in gasoline in the THz range. Our investigations show the potential of THz technology for the petroleum industrial applications.     

Study of the optical gap in novel superconductors by coherent THz radiation

We show how coherent synchrotron radiation (CSR) allows one to measure the slight increase in the reflectivity of a BCS superconductor as it is cooled below T_c. In fact, by CSR coupled to a conventional interferometric apparatus, one can obtain a signal-to-noise ratio 10³ in the sub-THz range. We apply this technique to the measurement of the optical gap in boron-doped diamond and in CaAlSi, a superconductor isostructural to MgB₂. In the latter compound we are also able to determine a slight anisotropy between the gap in the hexagonal planes and that along the orthogonal c axis.     

Improved SPR technique for determination of the thickness and optical constants of thin metal films

A novel method with single-wavelength light is developed to determine the optical constants and the thickness of a thin metal film. It bases on a new geometry that consists of a coupling prism, a transparent coating layer directly deposited onto the prism base, a thin metal film to be detected, and the air. The attenuated total reflection technique is employed in our configuration to excite two different kinds of surface plasmon waves simultaneously. As a result, the reflection curve shows two obvious surface plasmon resonant dips. Using the Chen's et al. (Opt. Soc. Am. 71 189, 1981) method, we can obtain two sets of () and thickness of the thin metal film through one resonant dip (surface plasmon), then the real value can be determined through the other resonant dip (modified long-range surface plasmon). Compared to conventional double wavelength method and the double-medium technique (Yang et al. Appl. Opt. 27 11, 1988), the present single-scan method avoids both the ambiguity of different conditions caused by two-scan technique, and the dispersion problem with different light wavelength.     

激光预处理对光学元件膜层性能的影响

 激光预处理是使膜层提高损伤阈值的一种有效手段，现在流行的激光预处理机理模型之一是缺陷消除模型。实验从对元件膜层激光预处理前后各项参数的对比出发，分析了激光预处理对膜层的影响，说明了光学元件膜层激光预处理的过程，是对膜层去除缺陷、固化、洁净的过程。