小波图像融合在太赫兹无损检测中的应用

玻璃纤维增强复合材料被广泛应用于航天、航空及其他军民各领域,它在制备和使用过程中通常会出现多个缺陷。太赫兹时域光谱成像技术有望成为玻璃纤维增强复合材料无损检测的有力补充手段。在太赫兹时域光谱成像过程中,可以选取时域或频域波形中的不同参数来进行成像。对于不同的缺陷,能够有效地对其进行检测的参数是不一样的。采用基于小波分解的图像融合方法将多幅不同参数获取的太赫兹反射图像结合起来,得到一幅包含所有缺陷信息的新图像。研究表明,基于小波分解的图像融合方法在太赫兹无损检测中的应用,能够获取单一参数成像无法检测的缺陷信息,为复合材料太赫兹图像后期处理提供了新的技术方法。     

Theory of noise in a kilo-Hz cascaded high-energy Yb-doped nanosecond pulsed fiber amplifier

A theoretical analysis of noise in a high-power cascaded fiber amplifier is presented. Unlike the noise theory in low power communication, the noise of a high power system is redefined as the leaked output energy between pulses with coherent beat noise uncounted. This definition is more appropriate for high power usage in which the pulse energy receives more attention than the pulse shape integrity. Then the low power pre-amplifying stages are considered as linear amplification and analyzed by linear theory. In the high-power amplification stages, the inversion is assumed to recover linearly in the time interval between pulses. The time shape of the output pulse is different from that of the input signal because of different gains at the front and back ends of the pulse. Then, a criterion is provided to distinguish the nonlinear and linear amplifications based on the signal-to-noise ratio （SNR） analysis. Then, an experiment that shows that the output SNR actually drops off in nonlinear amplification is performed. The change in the noise factor can be well evaluated by pulse shape distortion.     

有机电光晶体4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐的太赫兹光谱研究

采用色散校正的密度泛函理论(dispersion-corrected density functional theory,DFT-D2)对有机电光晶体4-(4-二甲基氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲基苯磺酸盐(4-N,N-dimethylamino-4′-N′-methyl-stilbazolium tosylate,DAST)进行结构优化和太赫兹光谱计算,通过逐步提高精度进行几何优化的方法寻找DAST收敛的基态稳定结构,获得与DAST初始结构相一致的基态稳定结构.在此结构的基础上,在0—4 THz范围的太赫兹计算光谱与实验测量结果一致,说明采用DFT-D2进行优化的合理性.重要的是,首次通过计算的太赫兹光谱对DAST在0—4 THz范围的太赫兹吸收峰的振动模式进行了详细归属.结果表明:1.12 THz处的振动是DAST阴阳离子的光学声子模式,1.46 THz和1.54 THz两处的振动主要与磺酸盐有关,而2.63 THz和3.16 THz两处的振动则分别源于阳离子的扭转振动和阴离子的转动.该结果不仅很好地说明了阴阳离子分别在太赫兹响应中的贡献,而且为今后通过取代阴阳离子基团获取具有更高二阶非线性效应的DAST衍生物的新合成提供了重要的参考和指导.本文结果说明密度泛函理论在太赫兹光子学上的重要应用,对探究有机电光晶体的太赫兹响应物理原理、性能控制等具有重要的指导价值.     

几种塑料的太赫兹光谱检测

利用太赫兹时域光谱技术测量了聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯和丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的太赫兹透射谱,研究其在0.2~2.6 THz频段的光谱特性,得到了在室温氮气环境下这些材料的太赫兹吸收谱和折射率色散特性.发现这五种塑料在太赫兹波段的折射率和吸收系数差异显著,折射率分别在1.35~1.85之间,聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯吸收很小,相比之下聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯吸收很大,这为塑料种类的鉴别及高太赫兹透过率塑料衬底选择提供了依据.     

弗兰克-赫兹实验中温度与电子平均自由程的关系

运用原子非弹性碰撞模型来测量F-H曲线峰谷间距随峰谷数的线性关系,研究温度对电子平均自由程的影响,并尝试探讨一种较为准确的测量原子第一激发能的实验方法.     

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.     

0.4 THz回旋行波管的设计与模拟

利用三维粒子模拟仿真软件,对共焦波导结构的0.4 THz回旋行波管进行了注波互作用的模拟研究。以共焦波导的冷腔色散以及衍射损耗入手,最终选定HE06模作为互作用工作模式。为了对寄生振荡进行抑制,在互作用结构中引入了截断。在模拟过程中,通过调节束压、束流、工作磁场、电子束横纵速度比,得到了最优的工作参数。最终,在束压34 kV、磁场14.25、束流2 A、横纵速度比0.75的工作参数下,当输入信号为1 W时,得到了最高2.76 kW的功率输出,增益超过34 dB,3 dB带宽为8 GHz,效率达到4%。     

太赫兹微弱信号检测系统噪声处理方法研究

为了能够量化物体太赫兹辐射的大小,对黑体辐射中的太赫兹信号进行测量,使测量系统处于真空状态下,并且使用液氮制冷来屏蔽外界杂散辐射。黑体辐射的太赫兹信号由卡塞格林系统聚焦于探测器上。探测器的输出信号用锁相放大器进一步处理,并观察不同时间常数下锁相放大器的输出信号。实验结果表明:当黑体温度为323 k时,实验装置使用液氮制冷前后的测量结果有所不同,前后相差约3 v左右。时间常数对输出结果影响也很大,实验使用3 s比较合适。由于噪声来源复杂、噪声水平很高,黑体在太赫兹波段辐射能量极为微弱,所以系统对温度分辨率要求不是很高。     

金属网栅法布里珀罗干涉仪测量太赫兹波波长

设计并制作了用于测量波长大于150 μm(频率低于2 THz)的太赫兹波波长的金属网栅法布里珀罗干涉仪(FPI)。采用光电子微纳制造工艺制作了五组周期不大于40 μm,线宽不大于10 μm的有衬底方形金属网栅,利用太赫兹时域光谱技术测量了金属网栅的太赫兹波段光电特性,得到了各组金属网栅在感兴趣频段的反射率和金属网栅FPI的反射精细度,结果表明所制作的金属网栅FPI均可用于测量波长大于150 μm的太赫兹波。实验搭建金属网栅FPI扫描测量了212 μm的太赫兹波波长,与理论结果吻合。研究了金属网栅FPI对太赫兹波偏振方向的依赖性以及对FPI腔镜平行度的要求,结果表明,方形金属网栅FPI对正入射太赫兹波偏振方向不敏感,而对FPI腔镜平行度很敏感。     

聚合物及其混合物的太赫兹介电性质测定与分析方法

聚合物材料因其对太赫兹波的高透过率以及良好的塑形能力在太赫兹研究中扮演了重要的角色,由于材料的介电特性直接关系着折射率、极化率等重要性质,不同的应用场合通常需要材料呈现出特殊的太赫兹介电响应,一方面可以选取不同的聚合物材料,另一方面可以通过多种聚合物的混合实现材料介电性质的调制。聚合物材料合理的选取和设计建立在材料太赫兹介电精确表征之上,然而利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)对聚合物材料进行透射式太赫兹介电表征时,材料内部空气孔隙的存在会影响表征结果的复现性,同时也会影响共混聚合物介电性质的分析和预测。因此以Landau, Lifshitz, Looyenga(LLL)模型为基础提出了考虑空气影响的介电分析模型,并选取了在太赫兹研究中广泛使用的聚合物材料聚乙烯(PE)和聚四氟乙烯(PTFE)对模型的有效性和稳定性加以验证,展开了两种材料单质和混合物两方面的介电分析。在太赫兹波透射样品之后的相位变化信息中提取出样品的介电常数,同一种物质制备的样片间太赫兹介电谱存在明显差异,使用包含气隙影响的LLL模型处理实验数据后,样品介电常数中空气的介电影响被移除,从而得到了两种材料的本征介电常数,在此基础上,使用测得的本征介电常数和混合物样品中两种材料的体积占比信息代入包含气隙影响的LLL模型计算得到了不同配比混合物的太赫兹介电常数的模拟值,并与THz-TDS实验获取的实验值进行了对比。利用所提出的有效介质模型,聚乙烯和聚四氟乙烯在10～40 cm-1波段内移除空气影响后的平均介电常数为2.315±0.003（±0.13%）和2.109±0.003（±0.14%）,在不同重量、不同厚度的单组份样品间模型测定的聚合物介电常数保持了良好的重复性,在对混合物的太赫兹介电性质测定与分析中,利用模型计算的混合物介电常数模拟值与THz-TDS测定的介电常数实验值保持了高度线性相关,其相关系数为0.964 3,全局相对误差为1.08%,体现了模型的可靠性。提出的介电分析模型可以扩展到更多的高分子材料单质及其混合物的太赫兹介电性质表征中,对太赫兹波段的共混聚合物材料设计具有参考价值。