基于衰减全反射式太赫兹时域光谱技术的食用油光谱特性研究

食用油是人类营养和能量的重要来源,为人体提供必需的脂肪酸,研究食用油在太赫兹波段光学特性,对食用油成分分析及品质评价具有重要价值。衰减全反射式太赫兹时域光谱技术是一种新型的太赫兹时域光谱技术,通过样品与倏逝波的相互作用,获取样品的太赫兹光谱。与透射式或反射式太赫兹时域光谱技术相比,该技术能有效地避免测量食用油等液体样品时样品池对光学参数的影响,并能获得样品的精确光学参数。分别利用透射式太赫兹时域光谱技术和衰减全反射式太赫兹时域光谱技术测量了大豆油的吸收光谱。结果表明,与透射式太赫兹时域光谱技术相比,衰减全反射式太赫兹时域光谱技术能更有效地提取大豆油的吸收系数、吸收峰分布等光学特性。进一步利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了大豆油、核桃油、葡萄籽油在太赫兹波段的光学特性,获得了三种食用油在1~1.8 THz范围内的折射率谱和吸收光谱。利用密度泛函理论计算了食用油中四种主要成分(软脂酸、硬脂酸、油酸和亚油酸)在太赫兹波段的振动、转动模式,理论计算结果同实验测量结果吻合较好。研究表明,在太赫兹波段食用油的吸收峰与所含脂肪酸分子种类与含量有关,其主要来源为脂肪酸分子的低频振动和转动。研究成果对食用油成分定性定量分析及品质检测等具有指导意义。     

Carbon Nanotubes-Based Magneto-Optically Tunable Structure for Terahertz Wave Polarization Control

Optics and Spectroscopy - Terahertz time-domain spectroscopic polarimetry (THz-TDSP) method was used to study of polarization properties of a randomly oriented single-walled carbon nanotube (SWCNT)...     

红薯淀粉中添加剂明矾的定性和定量太赫兹时域光谱技术检测

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对红薯淀粉中的添加剂明矾进行了实验研究,获得了红薯淀粉和明矾的太赫兹时域光谱和频域光谱,通过计算得到二者的吸收系数谱和折射率谱,吸收系数谱显示明矾在太赫兹波段有明显的特征吸收峰,可以用THz-TDS技术对淀粉中的明矾进行特征识别。实验获得了红薯淀粉中掺杂不同百分比(质量分数)明矾的太赫兹时域光谱,计算得到吸收系数谱和折射率谱,发现随着明矾含量的增加吸收峰的幅度下降,折射率逐渐下降,说明THz-TDS技术可以用于淀粉中明矾的定性识别和定量检测。     

氨基酸官能团的太赫兹振动模式研究

对比于氨基酸的红外分析法,太赫兹波的电子能量更低,可实现无损检测。氨基酸分子内原子振动、分子间氢键的作用、以及晶体中晶格的低频振动均处于太赫兹波段,使其在太赫兹波段具有吸收峰,且不同的氨基酸分子太赫兹吸收峰不同,故可用氨基酸在太赫兹波段的这种“指纹特性”实现氨基酸类物质的定性分析。量子化学分析方法可以应用量子力学的基本原理和方法,研究稳定和不稳定分子的结构、性能及其之间的关系,还可以针对分子与分子间的相互作用、相互碰撞及相互反应等问题进行研究。通过量子化学计算方法计算氨基酸分子的太赫兹吸收谱,可以为氨基酸分子的太赫兹吸收峰匹配分子振动模式,对氨基酸定性分析有一定参考性与指向性,并为实验获取的样品太赫兹时域光谱提供理论支撑,在实验获得太赫兹吸收谱的基础上进行量子化学计算,还能为实验结果进行验证。首先利用太赫兹时域光谱技术获取了谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸的太赫兹吸收谱,分别构建这三种氨基酸样品在实物中以两性离子形式存在的单分子构型,利用量子化学计算方法在完成结构优化后进行太赫兹吸收谱模拟计算。计算结果表明三种氨基酸单分子的太赫兹吸收谱计算结果与实验获取的太赫兹吸收谱差异较大,但在高频段吸收峰峰位基本吻合。通过GaussView分别查看了这三种氨基酸分子在太赫兹段内的吸收峰对应频率处的振转情况,发现在高频段内三种氨基酸分子官能团均只发生转动而未见振动,并且转动模式基本一致。通过对氨基酸官能团的太赫兹吸收谱进行量子化学计算,将官能团在高频段内吸收峰对应频率处的振转模式与三种氨基酸分子在该段内吸收峰对应频率处的振转模式做了对比。研究表明,在氨基酸单分子构型下由量子化学方法计算所得的太赫兹吸收谱中,高频段内计算得出的模拟吸收峰与实验获取的太赫兹吸收峰基本吻合;振转模式分析发现,谷氨酰胺、苏氨酸、组氨酸在太赫兹高频段内的氨基酸官能团振转模式相同,三种氨基酸分子在高频段内的吸收峰主要来源于氨基酸官能团。因此,结合量子化学计算与太赫兹吸收谱可以实现氨基酸类物质的定性分析。     

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。     

基于Z-FDTD的THz波与等离子体相互作用

利用Z变换时域有限差分法(Z-FDTD)计算等离子体鞘层中太赫兹(THz)波的传输特性,得出太赫兹波的功率反射和透射系数在等离子鞘层中随电磁波频率的变化曲线图,分析了太赫兹波的传输特性与等离子体结构参数(鞘层厚度、碰撞频率以及电子密度)的关系,对利用太赫兹波缓解等离子体鞘层通信中出现的“黑障”现象做了探讨。结果表明:太赫兹波能改善等离子体鞘层通信,为解决“黑障”问题提供了有效途径。     

Investigations on polarimetric terahertz frequency domain spectroscopy

A polarimetric Terahertz frequency-domain spectroscopy system is presented which has an additional polarization measurement function at the Terahertz band. The achromatic Terahertz waveplate, which acts as the key device in the system, is also presented.     

Phase Lock-In of MM/SUBMM Backward Wave Oscillators: Development, Evolution, and Applications

The development and evolution of a Phase-Lock Loop (PLL) system up to the highest frequencies of Backward Wave Oscillators (BWO) is considered starting from the first submillimeter BWO PLL in 1970. Improvements and increase of working range near to Terahertz are followed. Development of the series of commercial BWO-based millimeter wave frequency synthesizers, extension of the BWO PLL beyond Terahertz as well as recent progress in fast millimeter wave frequency synthesizers are described. Applications of BWO PLL systems for physical and technical measurements are discussed and some proposals for the next generation of BWO-based synthesizers are presented.     

Wide-Bandgap III–V nitride based avalanche transit-time diode in Terahertz regime: Studies on the effects of punch through on high frequency characteristics and series resistance of the device

Extensive simulation investigations on III–V nitride (Gallium Nitride, GaN) based Single Drift (p⁺⁺ n n⁺⁺) avalanche transit-time diode clearly establishes the potential of GaN material system in Terahertz region. Further, the effects of punch through on the Terahertz behavior of the GaN IMPATT (IMPact Avalanche Transit-Time diode) are studied for the first time, through a generalized simulation technique. The computed results revealed that for a fixed bias current-density, when the space charge effect is not prominent, the optimum negative conductance as well as corresponding frequency for highest negative conductance decreases with the increase of punch through determined by doping density and the thickness of the active layer of the device. Moreover, it is observed that decrease of punch through factor leads to an increase of device negative resistance and conversion efficiency. The positive series resistance of the Terahertz IMPATT diode is further estimated through a modified simulation scheme. It is interesting to find that the decrease of punch through leads to a significant lowering in the values of series resistance of the simulated Terahertz device. The results will be important for design optimization of GaN THz IMPATT oscillators for application in Terahertz communication systems.     

亚波长金属块阵列中太赫兹波的传输特性研究

利用太赫兹时域光谱技术,研究了亚波长金属块阵列的太赫兹透射光谱特性及金属阵列结构的周期、金属块尺寸等因素对太赫兹透射特性的影响.结合时域有限差分方法,对实验结果进行了数值模拟,并分析了影响太赫兹透射的因素.结果表明:亚波长金属块阵列结构中,THz波的透射极小的位置由金属块的尺寸和周期决定,其透射谷的半高宽随其周期的增大而减小;透射峰值的位置由阵列的周期结构决定,其频率随周期的增加而减小;亚波长金属块结构的透射极小来源于金属块表面局域化电场等离子体的本征频率反射,该局域化电场与金属块结构密切相关,通过改变金属块结构,可以改变其表面电场分布与局域化.研究结果为研制太赫兹波段带阻滤波器提供了有益的参考.     

THz辐射在DNA光谱研究中的应用

太赫兹(THz)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中得到了广泛的应用,许多研究表明THz脉冲光谱学在生物和医学方面具有潜在的应用前景。文章简要介绍了THz辐射产生和探测的基本原理和方法;阐述了THz辐射在生物学和DNA分子光谱学研究的物理基础;讨论应用THz辐射研究DNA取得的成果及最新进展,展望应用THz辐射研究DNA分子的前景。     

基于液晶空间光调制器的太赫兹波频谱调制

频谱可调制的太赫兹波具有广泛的应用价值。利用一台纯相位式的液晶空间光调制器对飞秒激光脉冲进行空间整形,通过改变飞秒激光脉冲的横向空间分布,实现太赫兹波频谱的调制。在实验中,利用光泵浦整流方式产生太赫兹波,并利用太赫兹时域光谱系统对太赫兹信号进行探测。通过GS算法在液晶空间光调制器上加载不同的相位图,获得了不同的飞秒激光脉冲横向空间分布。通过改变探测距离和飞秒脉冲的空间分布参数,实现了太赫兹波频谱的调制。还利用菲涅尔衍射算法对这一过程进行了理论模拟,理论模拟结果与实验结果吻合的较好,这充分说明了基于飞秒脉冲空间整形的太赫兹光谱调制技术的可行性。     

亚波长金属块阵列中太赫兹波的传输特性研究

利用太赫兹时域光谱技术,研究了亚波长金属块阵列的太赫兹透射光谱特性及金属阵列结构的周期、金属块尺寸等因素对太赫兹透射特性的影响.结合时域有限差分方法,对实验结果进行了数值模拟,并分析了影响太赫兹透射的因素.结果表明:亚波长金属块阵列结构中,THz波的透射极小的位置由金属块的尺寸和周期决定,其透射谷的半高宽随其周期的增大而减小;透射峰值的位置由阵列的周期结构决定,其频率随周期的增加而减小;亚波长金属块结构的透射极小来源于金属块表面局域化电场等离子体的本征频率反射,该局域化电场与金属块结构密切相关,通过改变金属块结构,可以改变其表面电场分布与局域化.研究结果为研制太赫兹波段带阻滤波器提供了有益的参考.     

圆偏振激光附加太赫兹场作用下的高次谐波发射和孤立阿秒脉冲的产生

本文通过数值求解二维含时薛定谔方程,研究了圆偏振激光和太赫兹组合场作用下,H+2的高次谐波发射和孤立阿秒(1 as=10-18s)脉冲的产生.研究发现,无论在圆偏振激光场的x或y方向附加一个太赫兹场,都可以产生一个比较平滑的连续谐波谱.通过时频分析我们发现,高次谐波的贡献主要来自于短轨道.适当选取一些级次的连续谐波进行叠加,可以得到129 as或83 as的孤立阿秒脉冲.     

圆偏振激光附加太赫兹场作用下的高次谐波发射和孤立阿秒脉冲的产生

本文通过数值求解二维含时薛定谔方程,研究了圆偏振激光和太赫兹组合场作用下,H2+的高次谐波发射和孤立阿秒脉冲的产生。研究发现,无论在圆偏振激光场的 或 方向附加一个太赫兹场,都可以产生一个比较平滑的连续谐波谱。通过时频分析我们发现,高次谐波的贡献主要来自于短轨道。适当选取一些级次的连续谐波进行叠加,可以得到129 as或83 as的孤立阿秒脉冲。     

太赫兹大气遥感技术

由于其独特的大气敏感特性,太赫兹波在大气遥感领域起着越来越重要的作用。国际上太赫兹大气遥感技术发展方兴未艾。2004年,美国NASA发射AURA卫星,探测仪器中包括了具有两种极化的2.5 THz辐射计;2007年,欧空局ESA研制了Marschals外差式光谱仪,采用临边探测方式探测气体成分在亚毫米波段热辐射的高光谱。我国在轨气象卫星风云三号已经具备毫米波段辐射计,风云四号卫星是世界上首颗搭载太赫兹遥感仪的地球静止轨道气象卫星。针对我国大气遥感的现状,在概述国内外太赫兹遥感应用和技术的基础上,提出发展自主知识产权的大气遥感技术的思路;大力发展自主知识产权的太赫兹关键器件、太赫兹探测仪系统集成,研究太赫兹大气探测的新原理和反演新方法,整体提升我国在大气遥感领域的技术水平。     

Introduction to Terahertz Raman spectroscopy

This work, intended for advanced undergraduate students, explains the basic concepts and an actual scientific use of Terahertz Raman spectroscopy, displaying some of the benefits of this versatile technique for structural analysis of molecules building up materials since this technique has been increasingly used for molecular characterization in chemistry. A good didactic example of the experimentally applied temperature dependence of molecular vibrations according to the Boltzmann distribution is the ratio of anti-Stokes to Stokes Raman peak intensity used to calculate the temperature of a nylon 6,6 sample. The comparison of the temperature of nylon 6,6 calculated from the experimentally determined anti-Stokes to Stokes peak intensity ratio in the Terahertz region with the temperature set with the help of a heating-freezing stage is discussed. The limitations of Terahertz Raman spectroscopy are also part of this fundamental discussion.     

Terahertz spectroscopy and lattice vibrational analysis of pararealgar and orpiment

Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is an effective nondestructive and noninvasive tool for investigating sulfur-containing pigments. Combined with Raman spectroscopy and vibrational mode analysis, it is significant for artifact identification and conservation. In this work, the terahertz absorption spectra of pararealgar (As₄S₄) and orpiment (As₂S₃) samples mixed with polytetrafluoroethylene (PTFE) are characterized in a range from 0.2 THz to 2.2 THz, and their distinctive peaks are observed, respectively. Meanwhile, qualitative analysis is also implemented by using Raman spectroscopy as a complementary technique. The lattice vibrations are simulated by using solid-state density functional theory (ss-DFT), illustrating different characteristic absorption peaks for specific crystalline structures and dynamic properties. This work provides a reliable database of sulfur-containing pigments for using the THz technology to actually analyze and diagnose cultural relics.     

基于太赫兹技术的植物叶片水分检测初步研究

叶片含水量是植物健康状况的重要衡量指标之一。太赫兹波处于红外和微波之间,对样品水分变化非常敏感,当太赫兹光谱穿透含水丰富的叶片时,叶片中水分等物质能对太赫兹光谱产生强烈的吸收,根据叶片不同位置处水分含量的不同,能利用太赫兹光谱技术对植物叶片进行成像。本研究利用太赫兹技术检测植物叶片的水分含量,初步探讨植物叶片中水分和太赫兹成像的相关关系。实验采集离体绿萝叶片,每隔一定时间通过太赫兹光谱仪对叶片逐点扫描,获取叶片每一点的太赫兹时域光谱数据,经过傅里叶变换得到对应频域光谱,提取时域幅值的光谱参数以及特定频域光谱,对植物叶片图像进行重构,获取植物叶片的二维图像。结果表明,不同频率下,绿萝离体叶片的太赫兹二维图像呈现明显差异,叶肉与叶脉中水分含量不同,对太赫兹波的吸收也不同,根据图像,能清晰显示植物叶片叶肉与叶脉部位的水分含量差异。通过叶片时域幅值的平均值、叶片频域平均值与叶片水分含量建立相应的回归模型,时域最小幅值光谱与水分含量建立的最佳模型预测相关性达0.989 1,预测均方根误差为0.024 4 g。研究表明太赫兹技术用于植物叶片的水分含量检测具有较好的研究潜力。     

Advantage of terahertz radiation versus X-ray to detect hidden organic materials in sealed vessels

Terahertz imaging and conventional X-ray have been used to investigate a sealed Ancient Egyptian jar preserved at the Museum of Aquitaine (France). Terahertz radiation revealed an unknown content that could not have been visualized by X-ray. By comparison with a model object, we concluded that this content was composed of organic materials explaining their relative radiolucency.