Terahertz time-domain spectroscopy for explosive imaging

Terahertz (THz) imaging which is a new technology for material classification and nondestructive detection has been extensively investigated in the past decade. The time-domain waveform acquired at each point of the object by using the THz time-domain spectroscopy contains much information about the object. Processing this waveform will present the characters of the object. Several methods are adopted to generate the image of the explosive samples and results are compared and discussed. Experiment results indicate that this new imaging technology can be used for explosive detection.     

Terahertz spectroscopy of human sclera

Structural properties of human scleral tissues are investigated using polarization-dependent terahertz time-domain spectroscopy. Cross-linked tissue shows polarization-independent transmission properties, whereas normal tissue is polarization-dependent. This results from the different structural arrangements of the collagen fibrils that compose the human scleral tissues. In cross-linked tissue, collagen fibrils structurally form interlocking arrangements, unlike the regular parallel arrangement found in normal tissue. Our results demonstrate that terahertz spectroscopy is a powerful tool for investigating the structural characteristics of biological tissues and systems.     

太赫兹技术在医学检测和诊断中的应用研究

近年来太赫兹科学技术日益受到科学界和工业界的重视并得到了较大的发展,太赫兹技术在医学领域上的应用已成为人们关注的重要方面之一。介绍了太赫兹波的特点、太赫兹光谱和成像技术;重点讨论了近年来太赫兹光谱和成像技术在医学检测和诊断领域中的应用和研究进展;并探讨了太赫兹光谱和成像技术发展中需要解决的问题以及今后发展的方向。     

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...     

盐酸克伦特罗的太赫兹光谱研究

应用太赫兹时域光谱技术获取了盐酸克伦特罗在0.2～2.6 THz波段的光谱特征,并计算获得了盐酸克伦特罗在室温下的折射率谱和吸收谱.分别理论计算了克伦特罗分子、盐酸克伦特罗分子和盐酸克伦特罗晶体的振动频率.根据理论计算和实验光谱的对比,对盐酸克伦特罗的THz特征吸收峰进行了分析指认.实验结果显示,基于固体仿真的方法能够...     

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.     

飞秒超快光谱技术及其互补使用

超快光谱技术是研究物质激发态过程的重要手段,本文对飞秒时间分辨荧光技术和飞秒泵浦探测技术这两个重要的超快光谱技术进行了详细介绍,阐述了系统的原理、光路及数据处理方法,给出了不同的实现方法并比较了其优缺点。最后通过一个实例说明这两个技术的互补性,通过结合使用两个系统,能够对科学问题进行更全面可靠的研究。     

Terahertz BWO-Spectrosopy

Modern Terahertz-subTerahertz (THz-subTHz) spectrometers, based on continuously frequency-tunable coherent sources of radiation, the backward-wave oscillators (BWOs), are described which cover the frequencies v = 1 cm⁻¹ − 50 cm⁻¹ (0.03 − 1.5 THz) and allow for measurements at temperatures 2 − 1000 K, also in magnetic fields. They allow for direct determination of spectra of any optical parameter of a material at millimeter-submillimeter wavelengths, the domain where infrared or microwave spectrometers encounter serious methodological difficulties. We report on new technical abilities of the quasioptical BWO-spectrometers and discuss their main components. We demonstrate abilities of the THz-subTHz BWO-spectroscopy by presenting some latest results on measurements of dielectric, conducting, superconducting and magnetic materials.     

Terahertz applications of carbon nanotubes

We formulate and justify several proposals utilizing unique electronic properties of carbon nanotubes for a broad range of applications to THz optoelectronics, including THz generation by hot electrons in quasi-metallic nanotubes, frequency multiplication in chiral-nanotube-based superlattices controlled by a transverse electric field, and THz radiation detection and emission by armchair nanotubes in a strong magnetic field.     

太赫兹电磁波在毒品检测中的应用

介绍了太赫兹电磁波在毒品检测中的应用研究结果;报道了三种苯丙胺类毒品在太赫兹波段的指纹谱,对隐藏在信封中的毒品进行识别,对粉末状毒品与片状毒品的太赫兹吸收光谱进行了比较,同时也应用THz成像技术开发了毒品识别软件。研究结果表明,将太赫兹电磁波应用于毒品检测是可行的。     

太赫兹技术在农产品检测中的应用研究进展

我国是农业大国,保障粮食安全是国家发展的战略需要。农产品检测技术的应用和发展对监控质量,预防由农产品品质问题引发的安全事故至关重要。太赫兹(Terahertz, THz)波位于电磁频谱空隙,频率高于微波而低于红外线,具备光子能量低、穿透性好、能表征分子结构等优点。基于太赫兹波的光谱检测技术受到研究人员广泛关注,在生物医学、安全检查等方面得到应用,被证明是一种可靠的检测手段。在农产品应用领域,太赫兹波特有的非接触、无标记检测能力为农产品成分分析、质量控制提供了技术手段,其良好的穿透性和无损害性,可以用来在不破坏农产品表面及外包装的前提下,检测内部成分变化。与其他光谱(超声、 X射线、红外等)检测手段相比,太赫兹波频率范围宽、表征能力强,可实现对目标物质的快速无损检测。近几年,随着太赫兹发射源、探测器等设备以及光谱和成像技术的发展,其在农产品领域的应用有了新的进展。通过收集整理近期的文献资料,综述了太赫兹技术在农产品检测方面的应用拓展和研究成果,总结了目前存在的应用局限。在此基础上,对未来太赫兹光谱和图像检测的研究方向进行了展望,提出提高检测灵敏度和检测速度是农产品领域太赫兹技术产业化应用...     

持久性有机物硫丹的太赫兹光谱研究

以最新被斯德哥尔摩公约列入持久性有机污染物的硫丹为研究对象,采用太赫兹时域光谱技术获得了α硫丹在0.2～2THz频率范围内的吸收系数谱和折射率谱,结果显示在此频率范围内存在有一系列特征吸收峰,并且通过实验和理论计算对比发现在1.70和1.88THz处的实验吸收峰与1.68和1.91THz处的理论吸收峰有很好的吻合;经分析认为,这吻合峰是由于分子内集体振动引起的,实验中的其他峰值可能归因子分子间弱相互作用力和混合振动。研究结果证明了THz-TDS技术进行持久性有机物检测的可行性,为THz-TDS系统在持久性有机物识别和残留物检测方面的应用提供了依据。     

Terahertz real-time imaging with balanced electro-optic detection

We propose a method for two-dimensional terahertz (THz) real-time imaging which systemically integrates the THz balanced electro-optic sampling technique and the dynamic subtraction technique. The proposed method can effectively improve the signal to noise ratio and the spectrum measurement accuracy of the imaging system. Experiment results demonstrate the advantage of the method.     

微纳光子学中超快光谱的若干应用

在光电器件的工作单元已经小到微米甚至纳米尺寸的今天,只有充分研究和了解单一元件及其复合系统的光物理性质,才能为进一步提高器件性能提出更好的可行性方案。将研究物质激发态过程的超快光谱技术引入微纳光子学,用来研究可能成为微纳光电器件中基本功能单元的纳米光电材料的光物理特性,探索微纳尺度下光与物质的相互作用基本规律,便能为更好地理解现有微纳光电器件的工作机理提供重要的研究手段,为以后新型微纳光电器件的制备和改进提供可靠的实验依据。文章简单介绍了超快光谱的工作原理,重点介绍了超快光谱技术在半导体纳米晶和荧光碳纳米材料的光物理性质研究中的应用及其在微纳光子学中的应用前景。最后,对同时具有高时间分辨与高空间分辨能力的四维时间分辨显微光谱进行了简要介绍。     

THz技术在农产品/食品品质检测中的应用

农产品/食品的质量和品质问题越来越受人们关注。探索实际可行的农产品/食品的无损检测与品质评估技术正在成为研究热点。太赫兹(THz)辐射是位于中红外和微波波段之间的一段电磁波,具有非常重要的科学研究和应用价值。长期以来由于缺乏可行的THz波产生方法与探测手段,该波段相关领域的研究滞缓。THz光谱传感和成像技术是THz波的两个主要应用技术。THz光谱检测技术作为一种新型检测技术能够获得传统检测无法获得的信息。近十几年来,THz波用于来研究固、液、气相等各种物质的光电特性、分子内部振动和组成信息,在生物分析、医疗诊断、安全检测、环境控制等领域,THz技术显示出广阔的应用前景。文章介绍了THz波的主要性质、THz波检测技术的特点,论述了THz技术在农产品、食品质量与品质检测中的最新进展及其应用的潜力。     

基于平均吸收的太赫兹波振幅成像研究

提出了一种基于一定频率内平均吸收的太赫兹(THz)波振幅成像新方法。太赫兹波频率在0.1～10 THz之间,波段位于红外和微波之间。太赫兹波成像技术的一个显著特点是信息量大,如何对每个样品点的大量信息进行处理提取有用信息重构出样品的图像是一项关键技术。选用中间挖空有“THz”字样的白纸为样品作太赫兹波成像研究,首先探讨了时域和频域上几种常用太赫兹波振幅成像方法所反映的样品信息及其特点,进一步使用提出的基于一定频率内平均吸收的太赫兹波振幅成像新方法对样品进行图像重构。实验结果表明这种新方法可以很好的反映样品的真实信息,反映了样品在一定频率范围内由于吸收而引起的效果的综合,与吸收系数和厚度相关,离散效应得到了很好的消除,相对几种常用的太赫兹波振幅成像方法能够得到更清晰的图像。此新方法尤其适用于结构简单的样品,能够成为几种常用振幅成像方法的有力补充。     

太赫兹技术在农产品品质检测中的研究进展

农产品质量安全日益受到关注。由于传统检测方法存在耗时长、操作复杂、消耗大量溶剂、成本高等问题,因而迫切需要开发快速无损检测技术。在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间的太赫兹波,因其所处波段的特殊性,使其具有了瞬态性、高穿透性、宽带性、相干性和低能性等一系列特性,太赫兹技术可以有效反映有机生物分子的结构和性质,作为物质“指纹”谱,该技术逐渐应用于有机生物分子的定性、定量分析,在近红外光谱、拉曼光谱、X射线等众多光谱类快速无损检测技术中成为一种极具竞争力的新兴检测技术。首先介绍了太赫兹波特点,太赫兹光谱及其成像技术原理;其次,在其基础上总结了太赫兹数据处理一般流程及其主要步骤中的常用分析方法,着重对定量、定性分析步骤中模型搭建方法、评估方法、评估指标进行了阐述;再次,讨论了近几年来太赫兹技术在农产品品质检测中的几个关键领域应用和研究进展,具体包括农药残留、抗生素、毒素等微量有害物质检测,掺假、转基因和外源异物的鉴别以及农产品内部营养成分含量预测等;最后,系统探讨了太赫兹技术在农产品品质检测领域尚需解决的问题,以此为导向总结需要进一步加强的研究方向,并对太赫兹技术在农产品品质领域未来发展作出展望。已有研究文献表明太赫兹技术在农产品品质检测领域的有效性。尤其,对非极性物质不敏感的特性,使其对已包装农产品的品质检测与评估具有得天独厚的优势。随着机器学习、强化学习等信息科学技术发展,一方面进一步加强太赫兹数据分析技术研究,通过数据自主学习,从数据角度揭示科学规律,构建精度更高、运算开销更小、实时性更强、泛化能力更好的分析模型;另一方面从分子振动理论出发,结合化学、物理学知识,研究太赫兹光谱特性的形成机理,并将获取的先验知识应用于分析模型的构建,通过数据与机理二者有机结合,提高太赫兹光谱分析软实力。未来硬件系统开发上以便携、低成本、灵敏度高为目标,最终实现太赫兹技术应用从实验室研究阶段逐渐走向商用工程化应用。     

Terahertz spectroscopy of multiferroic EuFe3(BO3)4

The terahertz spectra of a rare-earth iron borate with the huntite structure are obtained for the first time. We study the low-temperature (4.0–90 K) α-polarized transmittance spectra of the EuFe₃(BO₃)₄ single crystal in the region 0.9–6.0 THz. Pronounced shifts of phonon frequencies and appearance of new phonon modes at the temperature _TS=58 K$T_S=58\text{K}$ of the R32→P₃₁21$R32\to P{3}_{1}21$ structural phase transition are observed. Additional shifts of phonon frequencies occur at the temperature _TN=34 K$T_N=34\text{K}$ of the magnetic ordering of the Fe subsystem, thus evidencing the spin–phonon coupling in this multiferroic material.     

Terahertz Time-Domain Spectroscopy of Solids: A Review

Recent development of the terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS) and its application to solids have been reviewed. This spectroscopy is unique in that the time-domain wave forms are measured at first and the complex optical constants are deduced directly by the Fourier transformation of them without resort to the Kramers-Kronig analysis. Various types of the THz-TDS systems are briefly described. Applications of the THz-TDS to various solids, i.e., semiconductors, superconductors, polymers, photonic crystals, and so on are also presented to demonstrate how widely this spectroscopy is applicable to characterization of solids.