液体产生太赫兹波的特性研究

最新的实验研究表明通过激光激发液体诱导等离子体可产生宽带太赫兹波,且液体作为太赫兹波辐射源具有独特的性质。液体具有与固体相当的物质密度,激光在一定区域内与分子的相互作用比气体多三个数量级;而与固体相比,液体的流动性使得每一个激光脉冲可与目标物液体靶的新区域相互作用。这些特性使得液体在高能量密度等离子体的研究中具有广阔的前景,甚至有可能成为下一代太赫兹波辐射源。本文全面综述了液体的流体状态和种类、激光入射位置和角度、脉冲持续时间以及脉冲能量等因素对产生太赫兹波的影响。     

葡萄糖溶液的太赫兹光谱观察

生物有机分子的生物功能必须在其水溶液中实现。太赫兹波对水非常敏感,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术能够检测生物分子——水分子界面的集体水分子网络动力学变化,是检测和研究生物有机分子溶液的理想工具。本文利用太赫兹时域光谱技术研究了葡萄糖的分子结构,获得葡萄糖及其不同浓度的溶液在室温氮气环境下的太赫兹时域吸收光谱,以及在室温真空环境下的傅里叶远红外光谱(FTFIR)。结果表明葡萄糖溶液对太赫兹波有特征吸收峰,不同浓度的葡萄糖溶液对太赫兹波的吸收各不相同。故使用太赫兹时域光谱技术能够完成葡萄糖及其不同浓度溶液的鉴别。     

基于太赫兹超材料的牛血清白蛋白传感器研究

太赫兹波具有非电离、对非极性物质穿透性高、对氢键等弱共振敏感等特性,是生物、材料、化学等领域的重要研究对象。蛋白质、糖类等生物大分子的转动频率和基团的振动频率以及分子之间弱相互作用的特征频率恰好处于太赫兹频段,这赋予了太赫兹光谱技术在生物医学领域中极大的发展潜力。然而,由于待测物尺寸一般小于太赫兹波长（0.03～3.00 mm）,微量的待测物难以引起谱线的改变,太赫兹光谱检测灵敏度较低。能够灵活操控电磁波特性的超材料为解决上述问题提供了新的思路,通过设计不同的结构及参数,能够得到谐振频率位于太赫兹波段的超材料,微量的待测物即可引起谱线的明显变化。基于共振型太赫兹超材料构建了牛血清白蛋白（BSA）传感器,实验结果表明,当BSA溶液的体积质量为2.0～8.0 mg/mL时,传感器共振频率偏移量与溶液浓度呈线性关系,传感器的最低浓度检测限为0.3 mg/mL。     

基于强场太赫兹脉冲的扫描隧道显微镜

纳米尺度上的超快动力学研究对现代纳米技术的应用具有重要的指导意义。太赫兹辐射在电磁波谱中独特的位置使其被广泛应用于各种物性的研究。然而衍射极限的存在限制了太赫兹辐射在纳米和亚纳米尺度上的应用。为了应对这一挑战,太赫兹扫描隧道显微镜（THz-STM）应运而生。通过原子级针尖来增强并束缚住太赫兹辐射,将太赫兹成像的空间分辨率提升了多达6个数量级。为了进一步推动国内THz-STM相关研究的发展,重点介绍了THz-STM的发展历程、基本原理、系统构成以及潜在应用,包括在半导体和单分子中的超快动力学研究,并对该领域的下一步发展进行了展望。     

太赫兹光谱技术在气体检测中的应用

相关环境污染信息在太赫兹波段内具有较强的吸收特性,使得利用太赫兹光谱技术探测大气中的污染物成为可能.概述了国内外太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究历史和发展现状,介绍了不同的气体分子在太赫兹波段的吸收谱,以及对混合气体分子和同素异形体分子的识别.对太赫兹时域光谱技术在气体检测方面的研究方向进行了展望.     

太赫兹技术在通信方面的研究进展

随着超快激光技术的发展,以及人们对THz波段及脉冲光源认识的进一步深入,太赫兹技术作为一种新的、快速发展的技术在许多领域备受关注,尤其在安全检测及反恐、医疗诊断及生物技术、物体成像、电子对抗及信息领域等方面太赫兹技术已经得到了广泛的应用.文中介绍了与微波技术和红外技术相比,太赫兹技术应用于通信方面的一些独特的优势,以及与通信相关的太赫兹技术的进展情况,初步探讨了太赫兹通信技术亟待解决的问题.     

太赫兹(THz)成像的进展概况

评述了太赫兹射线成像的进展情况.太赫兹(THz)辐射介于微波和红外之间.与微波、X射线、核磁共振(NMR)成像相比,太赫兹成像不仅能给出物体的密度信息,而且能给出频率域的信息,以及在光频、微波和X射线范围内所不能给出的材料的转动、振动信息.太赫兹射线与其他频段的电磁波相比,它能量低,不会造成对生物样品的电离损伤,而且太赫兹射线很容易穿过介电材料,因而可以用于产品的安全监测.因此太赫兹成像技术在生物学、工业安全监测等方面有可能带来新的关键性的突破.     

美国核武器实验室太赫兹技术与应用研究

超快激光技术、半导体技术以及电子技术的迅速发展为太赫兹波的产生提供了稳定、可靠的激发光源和探测器,从而使太赫兹科学技术的研究和应用得到了蓬勃发展,目前已成为国际上的研究热点。本文介绍了美国3大核武器实验室和美国重要国家实验室在太赫兹科学技术以及应用研究中开展的工作,并对其太赫兹技术的发展态势进行了分析。简单分析了太赫兹技术对武器物理研究的促进作用及其研究方向,例如：极端条件下材料的太赫兹表征与调控研究、含能材料化学反应动力学研究、冲击波与爆轰物理瞬态诊断研究等。     

基于液体对太赫兹脉冲进行高灵敏探测

由于液体（尤其是液态水）对太赫兹波的强吸收,以液体为介质的太赫兹波产生和探测长期以来被认为是无法实现的。本文综述了基于液体的太赫兹相干探测方法,此方法能在更低的探测激光能量下实现更高的探测灵敏度,可以解决目前基于固体和空气的探测方法遇到的探测频带受限、探测激光能量过高的问题。该探测方法的工作机理被归结为飞秒激光与太赫兹波在液体等离子体中的四波混频过程,因此太赫兹波与探测激光、产生的二次谐波间的场强、偏振具有简单的依赖关系,这使得此方法具有良好的稳定性,并可用于太赫兹波偏振敏感光谱的检测。液态水对太赫兹波的强吸收限制了检测灵敏度的进一步提高,可以利用其他液体或溶液替代纯水来降低太赫兹波的吸收,提高探测灵敏度,这对于该探测方法的进一步推广具有重要意义。     

基于太赫兹技术的葡萄糖及其同分异构体研究

太赫兹波对有机分子的分子内作用力(分子内氢键等)、分子间作用力以及分子本身的振动和转动现象等具有很好的分辨能力。糖类物质属于典型的有机分子,其中葡萄糖(C6H12O6)具有多种同分异构体且用途各不相同。本文利用太赫兹时域光谱技术,在频率为0.1~2.0 THz的范围内,对4种互为同分异构体的糖类进行测量,获得了固态时被测物质在理想厚度下的吸收光谱,并从分子空间结构和分子内氢键的角度对光谱中的差异做出解释;结合相关理论预测了每种溶液的吸收强度和吸收频率点位置随溶液浓度变化可能会产生的现象,获得的吸收光谱证实了预测的正确性。通过对固态糖类物质吸收光谱与其水溶液吸收光谱的研究发现,对于同种物质,其固体状态的吸收光谱和其水溶液的吸收光谱具有较强的关联。     

Dielectric Relaxation of HCl and NaCl Solutions Investigated by Terahertz Time-Domain Spectroscopy

We have used Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) to investigate the complex dielectric function of water solutions containing different ions. Using HCl and NaCl solutions with different concentrations we study the changes of the dielectric response introduced by the ions. We find a linear increase of the real and imaginary part of the dielectric function compared with pure water with increasing ion concentrations. We use an expanded model for fitting the dielectric function based on a combination of a Debye relation and damped harmonic oscillators for the anions and cations. A good agreement between the model and the experimental results is obtained.     

基于太赫兹时域光谱技术的农药残留检测方法

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是近年来涌现出来的崭新的光谱测量新技术.本研究提出了一种基于THz-TDS技术农药残留检测方法,并以灭多威和乙氧氟草醚两种农药作为实验介质证明此方法的可行性.应用太赫兹时域光谱系统测得了这两种农药的时域光谱信号,利用基于菲涅尔公式的数据处理模型得到了它们在THz波段的折射率谱和吸收系数谱.从实验结果可以看出两种农药在0.2~2.0THz范围内存在明显的特征吸收峰,且差别很大.经分析认为这些吸收峰是由分子的集体振动模式以及分子间相互作用引起,它们是农药分子的指纹吸收光谱,可以应用于分子识别中.本研究证明了THz-TDS技术应用于农药残留检测的可行性,表明其在农药残留检测中具有潜在的应用价值.     

太赫兹技术在绘画类文物上的应用与展望

近十年来,太赫兹技术在各个领域都有了越来越多的应用,它在考古学与文物保护中的应用也有了初步发展.本综述基于国内外研究现状,重点回顾了基于光子学的太赫兹检测技术在绘画类文物上的应用.包括太赫兹时域光谱在颜料鉴别,太赫兹成像技术在壁画、油画等艺术品研究中的应用,并在此基础上,对太赫兹新技术在绘画与文物上的应用前景进行展望.     

Fundamentals of Measurement in Terahertz Time-Domain Spectroscopy

Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) has emerged as a main spectroscopic modality to fill the frequency range between a few hundred gigahertz to a few terahertz. This spectrum has been known as “terahertz gap” owing to limited accessibility by conventional electronic and optical techniques. Over the past two decades, THz-TDS has evolved substantially with enhanced compactness and stability. Since THz-TDS is becoming an industrial standard, the performance and precision of the system are of prime importance. This article provides an overview on terahertz metrology, including parameter estimation, signal processing, measurement characteristics, uncertainties, and calibrations. The overview serves as guidance for metrology and further developments of THz-TDS systems.     

THz-TDS信号的相似性度量及其应用

太赫兹(Terahertz, 简称THz)波段位于微波和红外线之间,属于远红外线和亚毫米波范畴。太赫兹时域光谱(Terahertz time domain spectroscopy,简称THz-TDS)信号脉冲具有宽频带特性,其中蕴含了丰富的信息,但同时也给THz-TDS信号的分析和处理带来了困难。太赫兹时域光谱信号的处理和分析还处于起步阶段。基于几何代数理论,本文首先将在频率域上的THz-TDS信号表达为高维实矢量空间中的矢量,并对这些矢量使用几何代数中的超复数来进行描述。针对THz-TDS信号的特点,本文引入矢量外积定义了THz信号矢量的相似性函数,以此来度量THz信号的差异。同时本文还使用几何代数语言定义了矢量间的欧几里德距离,并且分别推导欧氏距离和相似性函数的具体计算方法。最后,本文具体地将这两种度量应用于THz-TDS信号的分类和辨识中,并和传统的欧氏距离进行了对比实验。本文给出的实验验证了这两种度量的可行性和有效性,并且表明本文提出的相似性函数相比于欧氏距离具有更好的抗干扰能力;特别的,在待辨识的物质种类较多和信号集波形出现混杂的情况下,本文提出的信号矢量间相似性函数能更好地度量THz信号之间的差异。      

Terahertz Reflection Spectroscopy of Aqueous NaCl and LiCl Solutions

We present spectroscopic measurements of the full dielectric function of aqueous solutions of sodium chloride and lithium chloride at concentrations approaching their solubility limits at room temperature. We find that the dielectric properties of the two salts are rather different at THz frequencies. Whereas both the real and imaginary part of the permittivity of NaCl increases with concentration, we see that the imaginary part of the permittivity of LiCl (related to the absorption) decreases with increasing salt concentration. We relate these changes to the behavior of slow and fast Debye relaxation processes in the solutions.     

THz射线产生技术及应用最新进展

THz电磁脉冲是由超短激光脉冲选通半导体光导开关后产生的超宽频带电磁辐射,在很多基础研究领域、工业应用领域以及军事领域中有相当重要的应用。作者就THz电磁脉冲的产生技术、探测技术作了较全面的评述。对其若干重要应用研究成果包括THz时域光谱技术(TDS)、THz二维成像技术等也进行了分析。     

基于太赫兹技术的熔融沉积3D打印误差分析

熔融沉积(FDM)技术是目前市售3D打印机应用最广泛的材料成型技术,基于这一技术的3D打印机精确度评价与打印试件的误差分析还没有十分完善的标准化方法。FDM 3D打印常用的聚合物材料在太赫兹波段存在明显吸收。基于太赫兹时域光谱(THz-TDS),通过缝隙注水的方式放大试件非实体部分的太赫兹响应,使得太赫兹技术可同时监测3D打印试件实体部分与非实体部分的打印精确度。通过分析试件的太赫兹光谱,能够分辨与原始设计相差0.96%的微米级误差,补充了3D打印误差的分析方法。     

太赫兹宽谱聚合物波导及其传感应用

利用太赫兹时域光谱系统对三种反谐振波导的太赫兹谱进行了研究, 这三种波导分别是PMMA管型波导, PMMA自支撑结构波导和SiO2管型波导.该研究验证了三种波导的太赫兹传输基于反谐振理论, 并在实验上实现了PMMA自支撑结构波导超过2 THz的宽光谱传输.同时, 对基于反谐振原理的太赫兹物质传感进行了理论和实验分析, 为物质探测提供了一种可行的手段.