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。     

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。     

对乙酰氨基酚的太赫兹时域光谱研究

太赫兹波由于其特有的透视性、安全性及光谱分辨本领高等特点,为太赫兹时域光谱技术(Terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS)在物质检测、物质结构辨别、物质定性及定量分析等方面的应用奠定了基础。药品,作为预防和治疗疾病并规定有适应症或者主治功能的物质,一直跟人们的生活息息相关。但是,近年来药品由于质量问题从而危害人们身体健康的新闻屡见不鲜,迫切需要行之有效的药品检测方法的呼声越来越多。而太赫兹时域光谱技术作为一种新型的无损检测的光谱技术,逐步开始被应用到药品检测中。基于此,采用太赫兹时域光谱技术研究了对乙酰氨基酚的太赫兹特征谱。首先,采用太赫兹时域光谱技术测试了对乙酰氨基酚在0.3～4.5 THz范围的太赫兹光谱,实验获取了六个特征吸收主峰和一个肩峰,分别位于1.46, 1.88, 2.11, 2.52, 2.95, 3.48和4.27 THz;接着,采用密度泛函理论对光谱进行解析,基于气态理论的计算结果,发现实验吸收峰有分子内作用力的贡献,但由于其未能考虑分子间作用力,无法全面对实验吸收峰进行解析;进一步,采用固态密度泛函理论模拟,经过实验和理...     

超快太赫兹时域光谱系统

超快太赫兹时域光谱系统是基于高速异步光学采样原理进行工作的,该系统使用2个重复频率可在1 GHz附近变化的飞秒振荡器,并使用高带宽反馈电路控制其重复频率。2个飞秒振荡器的重复频率存在Δf的失谐,一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz+Δf Hz,为泵浦脉冲;另一个飞秒振荡器的重复频率是1 GHz,为探测脉冲,由此提供泵浦脉冲和探针脉冲的时间差,时间延迟呈周期性变化,其扫描周期可以由1/Δf给出。此系统摒弃了传统THz-TDS系统所必需的机械延迟线,采用双光子探测器来产生触发信号。当设定Δf=1 kHz时,1 ms就可以探测出1个THz谱, 用时10.3 s即可得到动态范围为21 dB、频谱分辨率为5 GHz的太赫兹信号。该系统具有检测速度快和频谱分辨率高的优点,在需要快速测量的应用环境中有着传统太赫兹时域光谱系统不可比拟的优势。     

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.     

太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测

库存炸药老化情况的检测对炸药的性能、安全性和稳定性研究意义重大.现有的老化炸药检测手段,如扫描显微技术,傅里叶变换红外光谱技术,气相色谱-质谱技术等,或者不能分辨炸药老化与否,或者只能从表观上进行分析,不能反映炸药分子结构的变化.首先应用密度泛函理论(DFT),计算了炸药老化前后分子吸收频谱变化,从计算结果可以看出炸药分子老化前后的吸收光谱在老化前后变化明显;然后分析了太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统及其分辨率和测量频谱范围,结合已有实验结果以及太赫兹波本身的特点,从可行性、准确性和实用性三方面对太赫兹时域光谱技术应用于炸药老化检测进行了论证,从而提出了应用太赫兹时域光谱技术进行炸药老化检测的新方法.     

基于太赫兹时域光谱技术的伪色彩太赫兹成像的实验研究

提出了一种伪色彩太赫兹成像技术. 通过引入频域色彩区间积分, 建立了一套基于太赫兹时域光谱技术的伪色彩太赫兹成像系统, 实验分别研究了乳糖和对氨基苯甲酸两种不同白色化学粉末的伪色彩成像和灰度成像, 研究了不同颜色区间定义对伪色彩图像的影响, 讨论了利用不同频率信息成像系统所能达到的空间分辨率. 研究结果表明, 伪色彩成像技术可以将不同的物质信息同时成像在一张太赫兹图像中, 通过不同物质在太赫兹图像中呈现出的颜色差别来区分不同的物质及其分布. 克服了传统的太赫兹灰度成像技术中, 需要多张图像来区分不同的物质的问题, 提高了成像速度, 降低了筛选难度. 利用高频信息进行伪色彩成像, 可以将系统成像的空间分辨率提高到0.4 mm. 伪色彩成像方式可以更直观快捷地显示样品的基本属性, 对于实现太赫兹安检的初检和快速筛选具有重大的现实意义.     

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。     

基于深度学习的太赫兹时域光谱识别研究

太赫兹时域光谱技术,由于其具有物质"指纹谱"特性,是一种可以快速无损地鉴别物质的重要手段,在毒品和爆炸物的无损检测等方面有广阔的应用前景.其中,光谱识别是太赫兹时域光谱技术应用研究的重要方向之一.现有的光谱识别方法多是依靠手工选取特征后进行机器学习分类,或是通过设置吸收峰阈值门限进行判断.由于一些物质在太赫兹波段内并没...     

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。     

Study of broadband THz time-domain spectroscopy at different relative humidity levels

Two detection techniques of broadband terahertz(THz)time-domain spectroscopy-THz air-biased coherent detection(THz-ABCD;from 0.3 to 14 THz)and electro-optical(EO)detection(from 0.3 to 7 THz)-are both performed at several different relative humidity levels.The THz power exponentially decays with the increase in relative humidity.The dynamic range of the main pulse in the time domain linearly decreases as the relative humidity increases from 0%to 40%,and linear fittings show that the slopes are-0.017 and-0.019 for THz-ABCD and EO detection,respectively.Because of the multiple reflections caused by the crystal in the common EO detection,THz-ABCD has better spectral resolution(17 GHz)than that of EO detection(170 GHz).The spectrum of water vapor absorption measured by THz-ABCD is also compared with that measured by the Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR).     

Thermal transport of oil and polymer composites filled with carbon nanotubes

We studied the thermal transport properties of multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) in polymer and oil matrices. The thermal conductivity of the oils and polymers increased linearly when adding tubes. We observe a particularly high increase in the thermal diffusivity of carbon-nanotube-loaded liquid crystal polymers (6×10⁻⁵ cm²/s wt%), which is due to a spontaneous alignment of the MWNTs. Carbon nanotubes increased the thermal conductivity of oil by a factor of three for 20 wt% loading. We found little or no dependence of the thermal enhancement on the specific flavor of multiwall nanotubes used in the composites. Carbon nanotubes are excellent nanoscale fillers for composites in thermal management application.     

Effect of polymer-filler interface interactions on percolation conductivity of thermoplastics filled with carbon black

Conductive composites based on PE, PP, PS, PMMA and PA filled with carbon black have been studied. It was found that percolation behavior of the conductivity depended on the degree of polymer-filler interaction. Equations taking into account the polymer-filler interactions were proposed to describe the conductivity of composite above and below the percolation threshold.     

等离子体填充0.14 THz相对论返波管模拟

模拟了0.14 THz相对论返波管中电子束与氩气相互作用产生等离子体的过程, 研究了在不同气压条件下, 等离子体对相对论返波管的输出功率、频率以及起振时间的影响. 模拟结果表明, 等离子体背景能引起太赫兹波段真空电子器件脉冲缩短, 并出现新的频率分量; 适当地注入等离子体能减少0.14 THz相对论返波管的起振时间, 提高器件的输出功率. 关键词： 太赫兹 相对论返波管 粒子模拟 等离子体     

A study on the DC-electrical and thermal conductivities of epoxy/ZnO composites doped with carbon black

Thermo-electrical characterizations of hybrid polymer composites, made of epoxy matrix filled with various zinc oxide (ZnO) concentrations (0, 4.9, 9.9, 14.9, and 19.9 wt%), and reinforced with conductive carbon black (CB) nanoparticles (0.1 wt%), have been investigated as a function of ZnO concentration and temperature. Both the measured DC-electrical and thermal conductivities showed ZnO concentration and temperature dependencies. Increasing the temperature and filler concentrations were reflected in a negative temperature coefficient of resistivity and enhancement of the electrical conductivity as well. The observed increase in the DC conductivity and decrease in the determined activation energy were explained based on the concept of existing paths and connections between the ZnO particles and the conductive CB nanoparticles. Alteration of ZnO concentration with a fixed content of CB nanoparticles and/or temperature was found to be crucial in the thermal conductivity behavior. The addition of CB nanoparticles to the epoxy/ZnO matrix was found to enhance the electrical conduction resulting from the electronic and impurity contributions. Also, the thermal conductivity enhancement was mostly attributed to the heat transferred by phonons and electrons hopping to higher energy levels throughout the thermal processes. Scanning electron microscopy and energy-dispersive spectroscopy were used to observe the morphology and elements’ distribution in the composites. The observed thermal conductivity behavior was found to correlate well with that of the DC-electrical conductivity as a function of the ZnO content. The overall enhancements in both the measured DC- and thermal conductivities of the prepared hybrid composites are mainly produced through mutual interactions between the filling conductive particles and also from electrons tunneling in the composite's bulk as well.     

含能离子盐的太赫兹光谱研究

在传统硝基含能材料研究的基础上,进一步探索含能离子盐类物质的太赫兹波谱特性,拓宽太赫兹波技术在安全检测领域的应用研究范围,对新型含能离子盐(5-ATN,BMDATHBT)进行了太赫兹时域光谱和傅里叶变换红外光谱的实验测量,得到样品在0.5～8.0 THz范围内的吸收频谱.基于密度泛函理论,采用Gaussian 03及M...     

Transmission characteristics of dichroic filters measured by THz time-domain spectroscopy

Received: 19 March 1998/Accepted: 23 March 1998     

基于LabVIEW的太赫兹时域光谱分析软件

针对目前太赫兹光谱仪的数据采集和数据处理软件不能兼容的情况,设计了一个基于LabVIEW软件平台的THz时域光谱分析软件。主要研究了THz时域光谱系统的反射式以及透射式样品光学信息提取算法、支持向量机分类算法、以及偏最小二乘等分析算法以及它们的LabVIEW实现。该软件采用全LabVIEW代码实现,能够实现样品光学信息提取,物质分类识别以及多组分样品浓度分析,并且具有很高的移植性,可扩展性,与数据采集软件具有很好的兼容性。利用该光谱分析软件,分析了三种塑化剂的THz时域光谱信号,得到了它们在THz波段的折射率和吸收系数, 结果表明三种塑化剂可以用THz时域光谱完全区分,软件运行稳定可靠。     

Microwave absorption properties of Ag naowires/carbon black composites

The composite that can absorb the high-performance electromagnetic(EM) wave is constructed into a sandwiched structure composed of carbon black(CB)/ethylene-vinyl acetate(EVA) and Ag naowires(Ag NWs). The Ag NWs sandwiched between two CB/EVA layers are used to improve the absorption properties of composite. The effects of EVA-to-CB weight ratio, concentration and diameter of Ag NWs with a thickness of 0.4 mm on microwave absorption are investigated.The results indicate that for an EVA-to-CB weight ratio of 1:3, Ag NW concentration of 1.0 mg/100 m L, and average diameter of 56 nm, the reflection loss(RL) of the composite is below-10 d B in a frequency range of 9.3 Ghz–18.0 GHz, with the minimum values of-40.0 d B and-25.6 d B at 13.5 GHz and 15.3 GHz, respectively. A finite element method(FEM)is used for calculating the RL of the composite. The calculated results are in agreement with the experimental data.     

Application of time-domain THz spectroscopy for studying blood plasma of rats with experimental diabetes

The absorption spectra of rat blood plasma have been studied by time-domain THz spectroscopy in the frequency range from 0.1 to 2.0 THz. The absorption coefficient of blood plasma is found to be significantly reduced, depending on the diabetes severity.