风起于青萍之末 浪成于微澜之间——漫谈30年科研:激光谐振仪器体系的建立

科学方法研究是比获得成果更基础的工作,此文是一篇总结作者30多年科学研究路径和概括研究成果相兼的论文。作者从几个基本的激光物理问题出发,通过改变激光器谐振腔的结构,在腔内/外增加元器件,逐步发现了两镜激光器、三镜激光器腔调谐中的诸多物理规律,并据此研制成多种激光精密测量仪器。概括了整个研究过程中作者科学研究的基本理念,简述了作者研究激光中发现的物理现象,总结了建立的激光谐振仪器的科学体系。     

硫酸镁水合物的太赫兹表征

太赫兹时域光谱技术作为一种新型光谱检测手段,可用于包括水合物在内的多种物质的表征。金属硫酸盐具有多种不同的水合物,在太赫兹波段表现出不同的吸收特性,利用太赫兹光谱技术可以对过渡金属硫酸盐的不同水合物进行有效表征。本文利用太赫兹时域光谱系统对硫酸镁及其水合物进行表征。通过对七水硫酸镁进行恒温干燥,得到不同的硫酸镁热解产物并对其太赫兹吸收光谱进行研究。实验结果表明不同水合物表现出差异明显的太赫兹吸收特性。这为硫酸镁水合物的多种应用提供了重要参考,也为过渡金属硫酸盐及其水合物的检测提供了简单、快捷、有效的表征手段。     

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。     

太赫兹波对肠黏液的光谱检测

主要利用太赫兹时域光谱技术对人体正常肠组织表面黏液与癌变肠组织表面黏液进行检测.分别获得了不同样品在0.2 THz～0.8 THz波段的吸收系数和折射率.研究发现,新鲜正常肠组织表面黏液的太赫兹吸收与水的吸收接近,这提示水的贡献是主要的.同时,癌变肠组织表面黏液在吸收系数和折射率强度上普遍比正常肠组织表面黏液样品高,这表明该技术在癌组织检测中具有潜在的应用.研究结果表明,太赫兹时域光谱技术在生物组织检测和临床医学如肿瘤疾病诊断方面具有广泛的应用前景.     

2-巯基苯并噻唑的太赫兹时域光谱定量研究

为了减少由于橡胶促进剂2-巯基苯并噻唑(MBT)掺假而导致橡胶制品质量不过关的问题，提出利用太赫兹时域光谱技术对MBT的有效含量进行定量研究。利用太赫兹透射测量得到MBT和聚乙烯混合物在0.3THz~1.4THz的吸收特征谱，提出了一种基于最小二乘支持向量回归(LS-SVR)的MBT定量检测模型，将LS-SVR模型分别与偏最小二乘模型和支持向量机回归模型进行比较，得到模型预测集均方根误差分别为1.1330%，2.5583%和2.3869%。结果表明，LS-SVR的定量模型可取得更好的效果，其精度更高，稳定性更好。本研究为MBT定量检测提供了新的快速且有效的方法。     

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.     

钝感RDX及HMX炸药的太赫兹光谱分析

采用太赫兹时域光谱技术（Terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS）对钝感RDX（黑索金）和HMX（奥克托金）炸药在0～2.5THz频段的太赫兹吸收光谱进行了探测.得到了待测样品的太赫兹吸收光谱,确定了其特征吸收峰的位置并与其他研究机构所测吸收谱进行了对比分析.实验结果表明：利用THz-TDS技术可以对炸药进行检测和识别,同时可以对样品组成的细微变化进行分析和鉴别.为利用THz-TDS技术研究其他爆炸性物质,建立爆炸物的指纹谱库提供了科学依据.     

Terahertz Spectroscopy of Biochars and Related Aromatic Compounds

A recent application of terahertz spectroscopy is to biochar, the agricultural charcoal produced by pyrolysis of various organic materials. Biochars simultaneously improve soil fertility and assist in carbon sequestration. Terahertz spectroscopy allows different biochars to be distinguished. However, the origin of the absorption features observed has not been clear. Given that biochar-based fertilizers are rich in aromatic compounds, we have investigated simple aromatic compounds as an approach to unravelling the complex biochar spectrum.     

太赫兹波对肾癌组织的光谱检测

利用太赫兹光谱技术,对人肾癌组织进行检测,分别比较了肿瘤组织和肿瘤旁正常组织对太赫兹波的响应。通过对新鲜含水和经冷冻真空脱水组织的测量分析,分别获得了不同样品在0.2~1.2 THz波段的吸收系数和折射率。结果显示,生物组织中含水量对太赫兹波吸收信号强度有很大的影响。同时,不同组织的细胞结构和成分也是影响太赫兹信号强度的重要因素。比如癌细胞和正常细胞的结构的不同,因此对太赫兹电磁波的吸收以及它们在太赫兹波段的折射率都有显著的不同。结果显示太赫兹光谱技术在生物组织检测和临床医学如肿瘤疾病诊断方面具有广阔的应用前景。     

不同行程下水蒸汽太赫兹传输特性

太赫兹波具有独特的性质和应用,却存在大气衰减等物理上的限制.由于太赫兹波在大气传输中主要衰减来自水蒸汽,文中采用太赫兹时域光谱技术,通过构建不同行程的太赫兹时域光谱系统(0.5m、1m、2m、3 m),在0.1~2.0 THz 频率范围内,分别对不同湿度的空气进行太赫兹时域光谱测量,获得了25 个水吸收峰和10 个太赫兹窗口.结果表明:随着传输行程或湿度的增加,吸收谱带被展宽、太赫兹窗口被压缩,为超宽谱太赫兹波的潜在应用提供依据.