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。     

基于量子化学计算的谷氨酰胺太赫兹吸收谱模拟

利用量子化学计算方法模拟物质的太赫兹吸收谱,可以为目标物质的太赫兹吸收特征匹配分子振动模式,对深刻理解谱的形成机理十分必要。模拟结果的可靠性,主要取决于目标物质初始构型的搭建和振动模式计算方法的选择。首先利用太赫兹时域光谱技术获取了谷氨酰胺固态样品的太赫兹吸收谱,为了在理论模拟过程中体现考虑分子间作用的程度,构建了三种常用于有机物太赫兹吸收谱模拟的谷氨酰胺初始构型,单分子、二聚体、晶胞。使用量子化学计算程序基于密度泛函理论对三种初始构型进行了结构优化和振动模式计算。将计算结果通过洛伦兹线型函数拟合为吸收谱与实验吸收谱进行对比发现,二聚体构型的模拟吸收谱从吸收峰个数上优于单分子构型,在此基础上,晶胞构型模拟结果从吸收峰峰位上又较二聚体构型有了明显的改进,随着初始构型考虑分子间作用的程度提高模拟结果逐步逼近实验吸收谱。在得到了可靠的理论模拟吸收谱的基础上,成功对谷氨酰胺固态样品在0.3～2.6 THz范围内的三个吸收峰匹配了晶胞内各分子的集体振动模式。研究表明,在固体样品的太赫兹吸收谱理论模拟中,在计算能力允许的情况下,应尽可能选择全面反映分子间作用力的晶胞构型作为计算的初始构型。     

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。     

苏氨酸不同分子构型太赫兹吸收峰的量子化学指认

与红外、紫外和拉曼光谱相比,太赫兹光谱能量低,在待测物质中不会出现有害光致电离现象,伴随太赫兹技术的不断成熟,太赫兹波已经成为常用的无损检测用波。很多生物大分子在高频光波探测下具有指纹性,太赫兹时域光谱技术是对生物大分子无损检测的最佳手段。同时,不同生物分子在太赫兹吸收谱中呈现出各不相同的吸收峰,获得待测物质的太赫兹吸收谱后,与标准谱进行对照可以为待测物质做出定性辨识。在此基础上,结合最小二乘法、支持向量机等数据处理技术还可以实现基于太赫兹时域光谱对待测物质的定量分析。量子化学分析方法应用了量子力学的基本原理和方法,其中电子分析理论从电子角度出发,在分析大分子或原子个数众多的体系时近似误差较小,并且密度泛函理论不依赖实验数据和先验知识的支撑。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的参考性,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,能验证实验结果的准确性。首先利用太赫兹时域光谱系统获取进口苏氨酸样品的太赫兹吸收谱,其次分别构建苏氨酸样品在实物中以两性离子形式存在的单分子、二聚体和晶胞三种构型,并利用量子化学计算方法完成了每种构型的结构优化,最后计算三种苏氨酸分子构型的太赫兹吸收谱。结果表明,单分子构型和二聚体构型的太赫兹计算谱与实验谱差异较大,但在高频段计算谱与实验谱的吸收峰峰位基本吻合,而较为全面反映分子间氢键及范德华力作用的晶胞构型计算谱与实验谱则较为吻合。同时表明,与样品结构较为一致的、保持苏氨酸物理性质的最小结构为晶胞。     

基于快速物理光学法的太赫兹目标RCS计算

研究了一种基于快速物理光学法(FPO)计算太赫兹(THz)波段目标雷达散射截面(RCS)的方法。将目标散射体分解成若干个子区域,经相位补偿后计算出每个子区域的散射特性,经过插值、相位恢复和聚合得到整个散射体的散射特性,并对FPO在THz波段的应用进行了讨论。仿真结果表明:利用FPO法计算THz目标的RCS,能够在保证准确性的前提下,大大提高计算效率,节省计算时间。该研究对于THz波段的快速目标识别和成像有着重要的意义。     

太赫兹检测技术

太赫兹(terahertz,简称THz)检测技术是THz技术应用的一个关键环节,它涉及物理学、材料科学、半导体技术、光电子学和超导电子学,是一门综合性很强的技术。文章介绍了一些比较典型的THz检测技术的原理及其应用,特别是国内学者在这方面的工作。     

太赫兹频率编码器

超表面是由亚波长单元组成控制电磁波的人工结构,研究发现通过对其进行编码排列可实现对电磁波能量的任意控制.本文利用四种形状相同、尺寸不同的人字形结构单元,结合其不同相位响应和不同的相位灵敏度设计了太赫兹频率编码器,通过进行特定编码,在频率改变的情况下,实现了对电磁波能量辐射调控.分别设计了1-bit, 2-bit周期和非周期太赫兹频率编码器,通过数值计算和仿真模拟验证了上述特性,而且该结构对太赫兹波辐射主瓣能量有很好的分散作用,可以有效减少雷达散射截面,雷达散射截面缩减在q=0,j=0方向上最大可达29 dB,在太赫兹波隐身中具有巨大应用价值.     

高速太赫兹探测器

太赫兹(terahertz,THz)技术在高速空间通信、外差探测、生物医学、无损检测和国家安全等领域具有广阔的应用前景.能响应1 GHz调制速率以上THz光的高速THz探测器是快速成像、THz高速空间通信、超快光谱学应用技术和THz外差探测等领域的核心器件.传统的THz热探测器难以实现高速工作,而基于半导体的THz探测器在理论上可实现高速工作.光导天线具有超快的响应速度,可实现常温和宽谱探测;肖特基势垒二极管混频器、超导-绝缘体-超导混频器和超导热电子混频器具有转换效率高、噪声低等优点,可用于高速THz空间外差和直接探测;基于高迁移率二维电子气的天线耦合场效应晶体管灵敏度高、阻抗低,可实现常温高速THz探测;THz量子阱探测器是一种基于子带间跃迁原理的单极器件,非常适合高频和高速探测应用,亚波长金属微腔耦合机理可显著提高器件的工作温度及光子吸收效率.本文对上述几种高速THz探测器进行了综述并分析了各种探测器的优缺点.     

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。     

呋喃妥因的太赫兹光谱分析

利用太赫兹时域光谱技术测量了硝基呋喃类药物中呋喃妥因原药在0.2～1.8 THz范围内的吸收系数、折射率等光学指纹特性,结果表明呋喃妥因在该频率范围内出现了多个强度不同的特征吸收峰,吸收系数光谱可用于鉴定呋喃妥因。借助Gaussian软件利用密度泛函理论对呋喃妥因分子在0.2～1.8 THz范围内的吸收系数光谱进行了模拟,并对吸收系数实验光谱中部分吸收峰的振动模式进行了分析和指认。结果表明实验谱中1.25和1.60 THz处的吸收峰与理论谱中1.30和1.67 THz处吸收峰一致,是由呋喃妥因分子内的振动模式引起的。     

太赫兹技术的研究进展

 在波长范围跨越高达10个数量级的电磁波段中,波长介于30μm～1mm的太赫兹(Terahertz,THz)辐射,这一曾被称为“THz空白”的电磁波段领域,引起科学家越来越多的兴趣。太,是兆兆的英译音,所以太赫兹辐射又称为T射线,属于远红外、亚毫米波范畴。早在上个世纪初,科学家就对该波段产生了浓厚的兴趣,“Terahertz”一词首次由弗莱明(Fleming)于1974年提出,以用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。但在过去相当长的时间里,由于缺乏有效的产生和检测方法,相对成熟的微波和光学技术,对该波段的研究进展相当缓慢。     

太赫兹电磁波大气吸收衰减逐线积分计算

大气对太赫兹辐射传输存在一定的非协作性,即存在吸收衰减。为了实现太赫兹辐射的有效应用必须细致地了解太赫兹辐射大气传输的窗口位置、宽度及大气透过率。选取了处理大气非均匀路径、吸收带重叠等大气辐射传输问题的最精确方法逐线积分法,发展计算程序,并基于HITRAN分子谱线数据,对水汽、氧气、臭氧、氮气、二氧化碳等单组分气体分子对太赫兹辐射传输的吸收衰减情况进行了计算与分析,并给出了在太赫兹电磁波大气传输衰减中占主要因素的水汽和氧气的衰减峰位置。     

太赫兹电磁波大气吸收衰减逐线积分计算

大气对太赫兹辐射传输存在一定的非协作性,即存在吸收衰减。为了实现太赫兹辐射的有效应用必须细致地了解太赫兹辐射大气传输的窗口位置、宽度及大气透过率。选取了处理大气非均匀路径、吸收带重叠等大气辐射传输问题的最精确方法逐线积分法,发展计算程序,并基于HITRAN分子谱线数据,对水汽、氧气、臭氧、氮气、二氧化碳等单组分气体分子对太赫兹辐射传输的吸收衰减情况进行了计算与分析,并给出了在太赫兹电磁波大气传输衰减中占主要因素的水汽和氧气的衰减峰位置。     

LLM-105太赫兹波吸收特性及理论计算

2,6-二氨基-3, 5-二硝基吡嗪-1-氧化物(LLM-105)是一种综合性能优良的新型高能钝感炸药,为了研究LLM-105的分子结构特性,利用太赫兹时域光谱技术对该炸药在0.2～2.4 THz频率范围内的吸收光谱进行了探测,结果表明LLM-105在该频率范围内出现了多个强度不同的特征吸收峰,分别位于1.27, 1.59, 2.00, 2.08, 2.20, 2.29 THz处。基于密度泛函理论(DFT),借助Materials Studio 6.0量子化学软件对LLM-105晶体在小于2.5 THz频率范围内的吸收光谱进行了模拟计算,计算结果中除了2.29 THz处吸收频率,其余5处与实验测得值均有很好的一致性,从理论角度验证了实验数据的准确性。完成了对实验太赫兹吸收光谱中特征吸收峰振动模式的分析和指认,结果表明LLM-105太赫兹吸收特征峰的形成与分子振动密切相关,进一步为其分子结构变化的研究提供重要的实验手段与技术支撑。对于没有计算频率对应的2.29 THz处特征吸收峰,分析认为是由晶格振动或其他原因导致。     

GaAs光电导天线辐射太赫兹波功率的计算

在Larmor公式的基础上建立了适合计算光电导天线辐射太赫兹波功率的数学模型,利用此数学模型通过蒙特卡罗方法分别计算了不同实验条件下GaAs光电导天线辐射太赫兹电磁波功率.计算结果表明,增加光电导天线的偏置电场或触发光能量,都能够提高天线辐射太赫兹波功率,大孔径光电导天线能够承载更多的光生载流子,因而可以产生比小孔径光电导天线功率更高的太赫兹波. 关键词： 光电导天线 Larmor公式 太赫兹波功率     

太赫兹波段折叠波导行波管的线性分析和计算

给出了太赫兹波段折叠波导行波管中考虑管壁欧姆损耗的带电子束扰动的色散方程。求解该方程可以得到器件中小信号增益的值。通过编制Matlab程序,分析计算了不同工作点、不同折叠波导结构参数和不同工作频段时小信号增益的变化特性。计算结果表明：适当选取工作点和结构参数,可以获得最佳增益值;考虑损耗后,除了前向增长的辐射场外,还会出现反向传输的静态波;随着工作频段向高频方向延伸,前向波的增益显著降低,而反向波强度则增大。因此,工作频率提高时,为了达到一定大小的增益,需要的折叠波导的周期数也相应增加。     

太赫兹波段折叠波导行波管的线性分析和计算

给出了太赫兹波段折叠波导行波管中考虑管壁欧姆损耗的带电子束扰动的色散方程。求解该方程可以得到器件中小信号增益的值。通过编制Matlab程序,分析计算了不同工作点、不同折叠波导结构参数和不同工作频段时小信号增益的变化特性。计算结果表明:适当选取工作点和结构参数,可以获得最佳增益值;考虑损耗后,除了前向增长的辐射场外,还会出现反向传输的静态波;随着工作频段向高频方向延伸,前向波的增益显著降低,而反向波强度则增大。因此,工作频率提高时,为了达到一定大小的增益,需要的折叠波导的周期数也相应增加。     

石墨烯与太赫兹科学

石墨烯（Graphene）是材料科学和物理科学领域一颗冉冉升起的新星.作为一种具有优异晶体品质和电子性质的二维材料,石墨烯表现出独特的电子输运、光学耦合、电磁学和其他新奇的性质.例如,石墨烯的禁带宽度和有效质量为零,其电子和空穴的运动方式与相对论性粒子相同.另外,石墨烯拥有已知材料中最高的迁移率,且其迁移率基本与温度无关.石墨烯具有众多的新颖物理现象和应用潜能,其中在太赫兹科学上的应用前景尤其广阔.石墨烯的等离子振荡、可外部控制的导电率及可人为调谐的禁带宽度都与太赫兹科学息息相关.文章重点地介绍了石墨烯的     

太赫兹随机激光研究

本刊讯太赫兹（Terahertz,THz）波通常指的是频率在0．1～10THz范围内的电磁辐射,其独特性能给通信、雷达、电子对抗等诸多领域带来了深远的影响。而太赫兹辐射源是太赫兹技术是否转化为现实生产力的关键环节,然而目前仍然缺乏低造价、高功率、和便携式的低温太赫兹光源,从而限制了太赫兹在实际中的应用。因此寻找新的太赫兹源成为当代太赫兹研究领域的主要目标之一。     

太赫兹雷达技术研究进展

文章介绍了太赫兹技术的发展和研究现状,概述了太赫兹波的主要特性,着重论述并举例分析了太赫兹波在雷达探测系统中的应用。太赫兹雷达具有优越的反隐形能力,很高的距离分辨率,超大信号带宽,较强环境适应能力,低截获率,强抗干扰性和穿透等离子体能力等诸多优点,在军事上有很强的应用前景,对国防和国家安全具有重要的应用价值。