太赫兹科学与技术研究回顾

太赫兹光谱系统利用远红外辐射获得分子的某些光谱信息，这些信息在电磁谱的其他波段中是很难得到的．材料的研究是现代太赫兹系统中的重要的组成部分，一方面因为新的、大功率的太赫兹光源极大地依赖于如量子级联结构一类的新材料；另一方面，太赫兹的光谱和成像技术也为扩展诸如半导体和生物有机分子等材料的应用提供了一个有力的工具．     

1,4-萘醌的太赫兹,远红外及低频拉曼光谱研究

本文对1,4-萘醌进行了太赫兹时域光谱,远红外吸收光谱及低频拉曼散射谱的测试研究。1,4-萘醌的太赫兹吸收光谱与远红外谱仪测得的光谱取得了在1.75 THz(58.3 cm-1)/1.63 THz(54.3 cm-1)等处吸收峰位基本相同、两者相互佐证和补充的结果。将太赫兹和远红外吸收谱与低频拉曼散射谱进行比较,表明两种选择机制不同的光谱在1.04,1.72和4.59 THz等处的峰位基本重合,结合群论的不可约表示理论分析,表明该样品在低频波段具有拉曼活性和红外活性的振动属性(A1、B1或B2)。采用Gaussi-an03软件的密度泛函理论B3LYP函数和6-311基组模拟单分子红外与拉曼光谱,结合实验分析,对部分分子基团或原子振转模式给与了指认。     

甲硝唑、替硝唑和奥硝唑药品的远红外与太赫兹吸收光谱研究

甲硝唑、替硝唑和奥硝唑为5′-硝基咪唑类化合物,常用于抗厌氧菌和抗滴虫治疗。运用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术在室温环境中测量了三种药品在0.9～19.5THz波段的光谱特性,得到其指纹谱。另外,通过探测替硝唑参照品和不同厂家、不同批次替硝唑药片在太赫兹波段的光谱信息,结合相关系数法、阵列相关系数法等信息处理技术对光谱信号进行数据挖掘;最终建立了一种能够快速、有效、系统地鉴定替硝唑片活性成分和稳定性的分析方法。研究结果为此类药品生产和销售质量的规范化和现代化提供了可视化途径。     

太赫兹光谱与成像在生物医学领域中的应用

太赫兹科学技术的良好发展势头已经在医药领域逐渐得到了重视与应用。与红外辐射、核磁共振、X射线、超声波等传统医疗诊断技术相比较,太赫兹电磁波技术具有低能量、高空间分辨率和宽带光谱分析能力等独特优势,从而为人体成像以及太赫兹波与人体组织相互作用研究提供了一种可靠的技术方法;由于太赫兹波的穿透性强,且指纹峰的专属性较高,能够在药物的检测与鉴别等方面发挥重要作用。基于太赫兹波段的以上优异特点,文章在介绍太赫兹光谱与成像技术在生物医学领域中的应用时,重点分析了太赫兹电磁波技术对人体皮肤组织的研究,人体的基因表述,对生物体细胞影响的研究,对癌症和骨头等组织的研究,以及对药物的研究等方面的现状和发展。基于上述的研究进展,文章介绍了太赫兹科学技术在未来的医学领域中面临的挑战,并展望了发展前景。     

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。     

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。     

不同种类岩石的太赫兹光谱特征研究

准确认识不同种类的岩石特征对地质构造、结构与年代的判断至关重要.常规光学显微手段虽然可以对岩石的颜色与表面形貌进行直接观测,但是对岩石种类的判断往往凭靠经验,一些颜色相近的矿物容易混淆,所得结果并不准确.光谱方法能够在不同频段给出样品的多个光学参数信息,通过建立光学参数与样品自身物性的联系,可以从多个维度确定样品的性质...     

利用太赫兹时域光谱定性鉴别不同品种的苜蓿的研究

这项研究是利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术结合多元统计方法,对14种外表看起来极其类似的不同苜蓿牧草品种进行鉴定识别的可行性研究。通过实验测试获得苜蓿牧草品种在0.1～1.5 THz有效波段的吸收系数和折射率等光谱参数,并且测试光谱揭示不同种类的苜蓿牧草在时间延迟、吸收强度和折射率等物理参量的平均值上都有所不同。尽管以上提到的这些太赫兹特征差异意味着太赫兹时域光谱(THz-TDS)鉴定识别牧草品种是可行的,但是,由于没有特征吸收峰作为指纹谱识别依据,因此,本文利用多元统计方法聚类分析(CA)和主成分分析(PCA)在光谱参数和不同品种的苜蓿草种之间建立模型用以进行辅助验证,通过CA方法计算得到牧草间的欧氏距离以及通过PCA方法获得牧草的任何两个样本的PC1分值显示CA和PCA之间存在着很好的一致性,说明CA和PCA两种多样统计方法均能反映牧草间的差异。因此,太赫兹时域光谱技术结合多元统计方法能够成为一种有效的快速检测识别不同苜蓿牧草品种的方法,进而为将来建立牧草品种太赫兹光谱数据库奠定基础。     

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。     

和田玉的太赫兹光谱研究

用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术研究材料的光学性质是太赫兹应用领域的一个研究热点,国内已经在毒品,爆炸物的无损检测,有机物大分子的识别方面取得了大量成果。文章结合THz-TDS技术的特点及其在物质成分识别方面的应用,测得三种和田玉(羊脂白玉,青花玉,青玉)在0.2~2.6 THz的吸收系数和折射率曲线,不同种类的和田玉吸收系数差别很大,折射率在0.2~2.6 THz波段为2.4~2.7。实验结果初步说明,通过太赫兹波段的吸收谱和折射率的特征差异与种类之间的关系判断和田玉的种类是可行的,为无损和田玉种类鉴别提供一种新型的方法。     

青蒿素及其衍生物太赫兹指纹谱的测试与认定

青蒿素及其衍生物(双氢青蒿素,蒿甲醚,青蒿琥脂)是一种具有过氧桥化学结构的倍半萜内酯类化合物,对治疗疟疾有特殊疗效,且具有高效、低毒、成本低、安全等药理特性,使其成为现如今最为广泛应用的一种抗疟药。但是截止目前相关的太赫兹指纹谱数据还存在争议,为该类药物的太赫兹快速、无损鉴定带来困扰。为了进一步完善青蒿素及其衍生物的太赫兹指纹谱数据,利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术重新测量了青蒿素、双氢青蒿素、青蒿琥酯、蒿甲醚等四种青蒿素类药物在太赫兹波段的吸收特性,分别得到它们在0.2～2.7 THz波段的吸收光谱。并对实验结果与现有的指纹谱数据进行了对比分析。结果显示,绝大部分的共振峰与文献[3]中的一致,但峰位和强度略有差异,并且有新的峰位出现。然后,讨论了样品制备和数据处理方法对数据结果的影响,以及分子结构与峰位的关系。并基于此进一步确认了数据的有效性。为进一步研究青蒿素及其衍生物的药性提供参考,并对其无损鉴别、定量定性分析提供了一种快速、有效的检测方法。     

六种生物药物分子的高分辨太赫兹光谱研究

利用太赫兹时域光谱技术,在77～295 K之间,分别测量了两种异黄酮(金雀异黄酮和鹰嘴豆芽素A)、两种瘦肉精(盐酸克伦特罗和沙丁胺醇)和两种人参皂苷(Rg2和Rg3)等三类药物生物分子随温度变化的低频振动光谱,发现结构和功能相似的同类样品在室温环境下的太赫兹光谱均存在明显的不同。当温度从295 K冷却到77 K,测量样品的特征峰增加,鹰嘴豆芽素A可以观察到13个高分辨的特征吸收峰;并伴随线宽变窄,可以为1.9×10-5 mol用量的人参皂苷20-(R)-Rg3提供较准确的吸收峰。得到的高分辨太赫兹指纹谱为快速、无损鉴定该类药物生物分子提供一种可靠的新方法。     

苯甲酸与苯甲酸钠的太赫兹光谱和振动模式分析

采用太赫兹时域光谱技术测量了苯甲酸及其钠盐苯甲酸钠在8～115 cm-1的特征吸收光谱,分析总结了苯甲酸实测特征吸收峰的归属,并利用密度泛函理论对苯甲酸钠进行了结构优化和振动模式计算。结果表明：利用苯甲酸和苯甲酸钠在太赫兹波段的特征吸收谱完全可以辨识这两种性状相似的物质;导致苯甲酸钠和苯甲酸太赫兹特征吸收谱存在差异的根本原因是苯甲酸钠的离子键影响了分子内共价键的键长和原子间的键角以及其在晶胞内分子间的相互作用和排列组成;除了苯甲酸的107 cm-1和苯甲酸钠的54 cm-1 吸收峰,苯甲酸和苯甲酸钠的其余实测特征吸收峰均来源于分子的集体振动。     

THz时域光谱在蛋白质研究中的应用进展

太赫兹时域光谱 (THz-TDS)是基于飞秒超快激光技术的远红外波段光谱测量新技术,近年来在生命科学、医学制药、安全检测等不同研究领域中的应用进展迅速。文章结合THz-TDS技术的特点及其在生物分子光谱学研究中的物理基础,介绍了近年来利用THz-TDS技术研究氨基酸、肽和蛋白质的结构、构象、动力学及无标记检测等方面取得的成果和最新进展;总结了不同实验条件下测定的不同氨基酸、同种氨基酸异构体及肽在THz波段的吸收系数和折射率,并对不同实验室测定的结果进行了比较;阐述了THz-TDS技术研究干的、含水的蛋白质粉末以及蛋白质溶液的构象及动力学;介绍了THz-TDS技术在生物素-抗生物素蛋白无标记生物传感中的应用,并初步探讨了该技术在生物分子领域应用中有待解决的问题及发展前景。     

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.     

基于THz光谱的HNS单体猛炸药含量分析系统

现有的傅里叶变换红外光谱仪无法实现六硝基芪的光谱定量分析,而作为常见单体猛炸药而言,能够快速识别并定量分析其含量具有重要意义,故研究设计了一种基于THz光谱技术的HNS检测系统。系统采用透射式吸收光谱计算模式。光路中引入电光调制模块,实现稳定快速的光程静态扫描。在实验获取HNS特征吸收峰位置的基础上,结合空气在此波段的吸收特性,获得了光谱数据相关系数表达式,并由此确定了多特征波长选择依据。结合比尔-朗伯定律,给出了HNS含量的函数表达式及其系数公式。实验通过化学配置法得到不同HNS含量的样品粉末,并以此含量作为标准值。将不同含量的多组HNS样品粉末进行压片处理,分别采用太赫兹光谱仪和本系统进行HNS含量检测。实验结果可知,HNS含量在0.10%～50.00%范围内两种检测方法效果相近,与标准值误差均低于5.0%,且本系统具有更好的线性度。     

太赫兹波段豆油光谱的优化测量

太赫兹时域光谱技术是基于飞秒超快激光技术的有效的光谱检测技术,太赫兹波独特的优势使其成为一种有效的无损检测手段,并被广泛地应用到各个领域。然而在样品检测尤其是液体样品检测过程中,由于Fabry-Perot效应的存在,太赫兹波在样品、样品容器、以及光学元件之间的多次反射,使时域信号产生回波,样品的吸收光谱在频域内产生振荡,有可能会隐藏一些重要的吸收特征。为了解决这一问题,对解卷积算法进行改进,在传统计算模型的基础上,考虑系统中液体池窗片和光学元件对太赫兹波的非线性吸收,将包含回波的太赫兹时域信号描述为太赫兹主脉冲与一系列冲击信号和非线性传递函数的卷积。通过分析,有效去除回波引起的频谱振荡,进一步提高太赫兹波段豆油光学参数的测定精度。实验对比了改进前后0.2～2 THz波段豆油的频谱及吸收谱,实验结果证明,与传统的主脉冲截取法相比,本算法不仅能有效去除回波引起的频谱振荡,且在相同检测条件下,可将太赫兹波段豆油样品的频率分辨率由50 GHz有效提高至10 GHz。该算法不受被测对象参数的影响,同样适用于其他液体的太赫兹时域光谱测量。最后对吸收谱中残余的频谱振荡进行了深入分析。     

利用国内生长的有机晶体DAST作为THz源的研究

利用时域光谱技术分别测量了通过光整流法在国内新生长的有机晶体DAST和国际常用的高效能THz晶体ZnTe中产生的THz脉冲的时域光谱,也测量和分析了有机晶体DAST在THz波段的色散和吸收特性,并通过热辐射探测计(4.2 K Si-bolometer)测量了THz脉冲的绝对能量。结果表明,国内新生长的有机晶体DAST的确是一种高效率的THz产生晶体,优化生长条件后将可得到更高的产生效率。     

Effects of Scattering on THz Spectra of Granular Solids

Experimental studies of granular solids have shown that significant scattering effects restrict the accurate determination of material absorption in the terahertz (THz) region. The present work investigates the grain size dependent scattering contribution on the extinction spectra of Ammonium Nitrate, flour and salt between 0.2 to 1.2 THz using THz time-domain spectroscopy. The scattering contribution can be estimated by applying Mie theory for spherical grains. The approach essentially separates the independent contributions of true absorption and scattering losses and thus determines the total extinction for different grain sizes of various materials. The separation of the intrinsic material absorption from scattering losses shows that the frequency dependence in weakly absorbing materials is predominantly particle size dependent. Consequently, that range of THz frequencies cannot be used to differentiate granular solids having no intrinsic absorption.