太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术是最新的太赫兹技术,它基于宽波段太赫兹脉冲,可同时获得太赫兹波形的幅度和相位信息,在材料的远红外物性研究中有重要应用。本文涉及太赫兹时域光谱技术的基本特征、发射、探测技术和主要应用。     

太赫兹时域光谱反射式层析成像技术

改性聚丙烯（PP）材料由于其阻燃、高抗冲性能等特点被广泛应用在汽车仪表板、保险杠等汽车配件中,采用无损探伤技术对改性PP材料进行检测是汽车配件质量保证的必要手段。搭建了透射式太赫兹时域光谱系统及反射式太赫兹时域光谱成像系统,采用透射式THz-TDS系统对改性PP材料的光学参数进行了检测,测定了该材料在太赫兹波段的折射率,其数值为1.53。设计了一种改性PP材料平底洞样品,采用反射式THz-TDS成像系统对其进行成像,采用了反卷积滤波技术对THz信号进行处理,提高了信号的信噪比,提出了一种基于飞行时间的太赫兹时域光谱层析成像技术,采用已测定的改性PP材料的折射率,通过飞行时间层析成像技术对该样品的太赫兹检测结果进行了三维重构,厚度测量精度为0.01mm。     

不同频率的太赫兹时域光谱透射成像对比度研究

主要探讨自然界树叶样本的太赫兹透射成像中的对比度与透射频率的关系。运用透射模式的太赫兹时域光谱系统对样本进行了聚焦逐点式的主动扫描,得到样本各部分的太赫兹波透射率,然后进行数据处理和二维成像。通过对样本在8个不同频率下的太赫兹透射率成像的比对分析,表明样本的不同部分对各个频率的太赫兹波的吸收都有较明显的差别。为了得到更清晰的太赫兹成像,必须选取合适的成像频率使样本成像的对比度更佳,实验发现应该选择透射振幅适中的频段,且在此范围内样品的某些部分具有吸收峰的频率附近进行成像。     

固体粉末的太赫兹折射率和吸收系数准确提取方法

为解决固体粉末类物质太赫兹折射率和吸收系数提取不准确的问题,采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术以聚乙烯(PE)与聚四氟乙烯(PTFE)为研究对象,分析一元和二元混合粉中孔隙率对光学参数提取的影响;以有效介质理论为基础,提出基于Landau-Lifshitz-Looyenga(LLL)模型的折射率和吸收系数提取方法...     

运用太赫兹时域光谱技术定量分析柴油的含硫量

测量柴油样品的太赫兹时域光谱并对其含硫量进行了定量计算.在0.2 ～1.5 THz范围内,柴油的吸收系数随着太赫兹频率和硫含量呈规律性递增.基于这一变化关系建立起了硫含量与太赫兹吸收系数和频率的多元非线性模型,通过测量柴油的太赫兹光谱代入此模型即可计算出柴油的硫含量.这一结果为太赫兹时域光谱技术应用于柴油含硫量的无损快速检测奠定了理论基础,显示出巨大的应用前景.     

太赫兹时域光谱系统检测MCT陶瓷太赫兹性能

通过固相反应法制备MgTiO3-CaTiO3陶瓷,采用太赫兹时域光谱系统测试该陶瓷样品的时域光谱,经过计算得到0.2 THz~2.5 THz频率范围内陶瓷的电容率和吸收系数;介质陶瓷的电容率随烧结温度升高先增大后减小,烧结条件为1 260℃×3 h的陶瓷性能最佳,在1 THz处电容率为18.68,吸收系数为8.52 cm-1,可望应用于太赫兹整机设备中的材料与元器件。     

基于太赫兹时域光谱技术的四种基原郁金的鉴别研究

郁金作为行气活血、通经止痛的要药,近年来受到广泛的关注.为了对四种郁金的道地性和基原进行鉴别和质量控制,采用太赫兹时域光谱技术结合化学计量法(支持向量机法、主成分分析法)对郁金的四种基原进行分类和鉴别.构建了斜坡耗损多类支持向量机(Ramp Loss K-SVC)法、随机森林(RF)法和极限学习机算法(ELM)的三种模型对四种不同基原的郁金进行区分,并开发了Ramp Loss K-SVC方法,优化了模型参数,使四种郁金的鉴别率提高至93％.该研究为容易混淆的四种基原郁金鉴别提供一种新兴的鉴别技术.     

利用太赫兹时域光谱技术检测水和氯化钠溶液

太赫兹电磁波谱与液体分子的转动和振动能量对应,适合研究液体分子的动力学信息。水和氯化钠广泛存在于生物组织中,也是生命的重要组成部分。太赫兹时域光谱技术被广泛应用于液体检测,通过分析溶液中物质内部结构以及分子微观运动状态,在0.2~1.5 THz频率下,可以得到物质的吸收系数、折射率以及介电函数等。利用德拜模型模拟实验结果得到水溶液、氯化钠溶液的介电函数以及弛豫时间,可得到水和氯化钠溶液分子快速移动的特征时间分别为9.6 ps和10.7 ps,并获得了与分子结构相关的动力学信息。     

基于太赫兹时域光谱的半导体材料参数测量

根据太赫兹时域光谱系统(TDS)的测量原理,提出了一个考虑F-P效应的半导体材料参数测量方案.利用该方案可以在时域波形中,截取多个反射回峰,以提高材料参数提取的精确度.另外,考虑到多重反射对样品厚度的准确性要求较高,提出了一种有效的厚度优化方法.以GaAs为待测样品,利用上述方法精确提取了其折射率与消光系数谱.并采用返波振荡器(BWO)作为太赫兹辐射源对相同样品进行测量,有效的验证了使用TDS系统对半导体材料参数测量的准确性.     

THz时域光谱诊断激光等离子体密度和碰撞频率

从电子在THz波电场中的运动方程出发,讨论了THz波在等离子体中的传播规律.从而可以得到由等离子体电子密度和碰撞频率决定的THz波的复折射率.该复折射率决定了THz波在等离子体中的传播,即THz脉冲相位和振幅变化.THz时域光谱系统可以测量THz波传播的相位和振幅,因此可以利用THz时域光谱来诊断等离子体密度和碰撞频率.由于受到等离子体色散关系的限制,该方法测量的等离子体密度有一定范围.在等离子体电子密度位于10~(12)~10~(16)/cm~3之间内,该方法可以得到较好的应用.     

太赫兹时域光谱分析中回波滤除方法研究

回波处理是提高太赫兹时域光谱系统频谱分辨率的重要方法.为了研究样品存在非线性吸收情况下的回波滤除方法,在解卷积算法的基础上考虑介质对太赫兹脉冲的吸收情况和群延迟效应,将已有算法所需的四个参数缩减为与样品种类、厚度无关的两个参数,进一步提高了太赫兹光谱恢复的准确度.经实验验证,该方法可有效滤除太赫兹时域光谱系统中的GaAs天线基底以及ZnTe探测晶体产生的回波,将时间窗宽度增加一倍,使系统频谱分辨率提高到20 GHz.     

烷基化汽油中烃类物质含量的太赫兹时域光谱研究

应用太赫兹时域光谱技术研究了烷基化汽油中烯烃在太赫兹波段的性质。以烷基化汽油中的2,4,4-三甲基戊烯为例,分析了其不同浓度在太赫兹波段产生的光谱响应。结果表明, 对于烯烃含量不同的烷基化汽油,其信号中的峰强具有明显不同,并浓度的变化呈线性变化。利用时域谱最大值和最小值之和拟合而成的预测曲线对两种未知浓度样品进行预测,其误差均小于0.5%。同时对其不同频率下的吸收系数进行拟合与分析。根据太赫兹光谱最原始的幅值信息及其吸收系数可对其中烯烃含量进行快速定性,甚至是定量分析, 为烷基化汽油中烃含量和品质的定量检测作基础。     

太赫兹技术对二氯苯胺两种同分异构体的检测

采用太赫兹时域光谱技术测量了3,4-二氯苯胺和2,5-二氯苯胺在0.2～2 THz波段的吸收谱,3,4-二氯苯胺在1.00 THz,1.48 THz,1.88 THz处有3个吸收峰,2,5-二氯苯胺在0.83 THz,1.04 THz,1.17 THz处有3个吸收峰,吸收峰峰位强度也有明显不同。采用密度泛函理论进行理论光谱计算,理论光谱与实测光谱一致性良好。结果表明通过太赫兹时域光谱技术可以实现3,4-二氯苯胺和2,5-二氯苯胺2种同分异构体的指纹检测,为太赫兹波段有明显特征吸收峰的毒性物质检测提供了一种快速、准确的方法。     

常见服装面料的太赫兹光谱研究

利用自建的太赫兹时域光谱系统对生活中主要的常见服装面料进行了实验研究,实验中首先对棉、毛、麻、丝、涤纶、氨纶、混纺等这7 种典型面料分别进行测试,可以获得各自的太赫兹时域光谱,然后利用快速傅里叶变换关系分别对每个时域脉冲进行相关计算,最终获得这些面料的太赫兹频域光谱信息,尤其是样品的折射率和吸收系数等。研究表明,这些在可见光波段不透明的服装面料,在太赫兹频段几乎完全可透视,且没有特征吸收峰,该研究对于进一步开展隐藏危险物的识别和成像具有非常重要的意义。     

室温下中药附子的太赫兹波谱分析

为了对中药附子的道地性和品种进行鉴别以及控制产品质量,采用了飞秒激光激发光电导天线的太赫兹时域光谱技术,对同一产地4种不同制片方式的附子样品在室温干燥环境进行了检测和分析。结果表明：附子的太赫兹时域谱包含有幅度和相位信息,频谱具有较好的重复性,4种附子样品频谱明显分为两组。4种样品的太赫兹折射率存在明显的差异,可对不同的制片方式进行直观鉴别。由于吸收随着频率增加而增加,纯附子压片样品的有效频谱范围为0.2～1.05 THz,在此频谱范围内没有明显的特征吸收峰,吸收谱与THz频谱一致,因此附子道地性鉴别应考虑因不同制片方式造成的差异。     

基于太赫兹时域光谱技术的橡胶材料无损检测

针对橡胶材料与金属板粘接样件厚度及粘接质量,采用反射式太赫兹时域光谱(THz- TDS)系统对其进行无损检测。通过对检测数据中各点时域波形飞行时间信息的分析,得到样件橡胶部分的二维厚度分布图,实现了橡胶样件厚度分布的可视化成像;通过对检测数据中特征点波形及B-Scan图像的综合分析,判断出样件的分层缺陷。该研究结果为橡胶材料厚度及分层缺陷的无损检测提供了有效的解决办法。     

生物组织脱水过程的太赫兹时域光谱

利用透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对猪脂肪、肌肉和皮肤三种新鲜组织的持续脱水过程进行在线连续扫描,观察太赫兹波时域谱在组织脱水过程的变化,并分析比较三种组织脱水前后的太赫兹波吸收系数及折射率的改变及差异.结果表明,太赫兹波对新鲜组织含水量的改变十分敏感,新鲜组织的含水量是影响太赫兹波吸收系数的主要因素.同时,不同组织对太赫兹的吸收有明显差异,表明太赫兹光谱技术可以鉴别不同的组织类型.本研究为太赫兹技术在生物医学领域的进一步研究和应用提供了帮助.     

正入射反射式太赫兹光谱测量的不确定度分析

太赫兹时域光谱技术能够快速、宽频带测量物质在太赫兹频段的光学或介电常数, 是物质识别的重要技术.光学常数的测量准确度完全受到复杂的测量过程和数据处理所影响.针对正入射反射式THz光谱测量, 分析了在测量材料介电特性过程中的误差来源, 它们包括太赫兹幅值误差、位置误差以及样品倾斜误差.建立了单独表征每个误差来源对于光学常数影响的不确定度分量的公式.利用MATLAB仿真了每个误差来源对于光学参数不确定度的影响.