Sciencetech远红外太赫兹光谱仪

第四章 太赫兹时域光谱

第四章太赫兹时域光谱 电磁波谱技术作为人类认识世界的工具，扩展了人们观察世界的能力。人眼借助于可见光可以欣赏五颜六色的世界，利用红外变换光谱技术和拉曼光谱技术等可以了解分子的振动和转动等性质，利用X射线衍射技术可以了解物质的结构信息。而太赫兹光谱技术作为新兴的光谱技术能够与红外、拉曼光谱技术形成互补，甚至在某些方面能够发挥不可替代的作用，从而成为本世纪科学研究的热点领域。 4.1 太赫兹时域光谱技术的优势 太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术是太赫兹光谱技术的典型代表，是一种新兴的、非常有效的相干探测技术。由于太赫兹辐射本身所具有的独特性质（可参见第1章1.3节），太赫兹时域光谱技术对应有如下一些特性： （1）THz -TDS系统对黑体辐射不敏感，在小于3太赫兹时信噪比可高达104，这要远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性业比较好。 （2）由于THz -TDS技术可以有效的探测材料在太赫兹波段的物理和化学信息，所以它可以用于进行定性的鉴别工作，同时它还是一种无损探测的方法。 （3）利用THz -TDS技术可以方便、快捷的得到多种材料如电介质材料、半导体材料、气体分子、生物大分子（蛋白质、DNA等）以及超导材料等的振幅和相位信息。 （4）在导电材料中，太赫兹辐射能够直接反映载流子的信息，THz -TDS的非接触性测量比基于Hall效应进行的测量更方便、有效。而且，THz -TDS技术已经在半导体和超导体材料的载流子测量和分析中发挥出了重要的作用。 （5）由于太赫兹辐射的瞬态性，可以利用THz -TDS技术进行时间分辨的测量。 另外，太赫兹-TDS技术还具有宽带宽、探测灵敏度高，以及能在室温下稳定工作等优点，所以它可以广泛地应用于样品的探测。 4.2 太赫兹时域光谱系统 THz -TDS系统可分为透射式、反射式、差分式、椭偏式等，其中最常见的为

近红外光谱分析原理

近红外光（Near Infrared，NIR）是介于可见光（VIS）和中红外光（M IR）之间的电磁波，按ASTM（美国试验和材料检测协会）定义是指波长在780～2526nm范围内的电磁波，习惯上又将近红外区划分为近红外短波（780~1100nm）和近红外长波（1100~2526nm）两个区域。 近红外光谱属于分子振动光谱的倍频和主频吸收光谱，主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，具有较强的穿透能力。近红外光主要是对含氢基团Ｘ－Ｈ（Ｘ＝Ｃ、Ｎ、Ｏ）振动的倍频和合频吸收，其中包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构的信息。由于不同的有机物含有不同的基团，不同的基团有不同的能级，不同的基团和同一基团在不同物理化学环境中对近红外光的吸收波长都有明显差别，且吸收系数小，发热少，因此近红外光谱可作为获取信息的一种有效的载体。近红外光照射时，频率相同的光线和基团将发生共振现象，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子；而近红外光的频率和样品的振动频率不相同，该频率的红外光就不会被吸收。因此，选用连续改变频率的近红外光照射某样品时，由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，通过试样后的近红外光线在某些波长范围内会变弱，透射出来的红外光线就携带有机物组分和结构的信息。通过检测器分析透射或反射光线的光密度，就可以确定该组分的含量。

近红外光谱分析技术包括定性分析和定量分析，定性分析的目的是确定物质的组成与结构，而定量分析则是为了确定物质中某些组分的含量或是物质的品质属性的值。与常用的化学分析方法不同，近红外光谱分析法是一种间接分析技术，是用统计的方法在样品待测属性值与近红外光谱数据之间建立一个关联模型(或称校正模型，Calibration Mode l)。因此在对未知样品进行分析之前需要搜集一批用于建立关联模型的训练样品(或称校正样品，Calibration Samples)，获得用近红外光谱仪器测得的样品光谱数据和用化学分析方法(或称参考方法，Reference method)测得的真实数据。 其工作原理是，如果样品的组成相同，则其光谱也相同，反之亦然。如果我们建立了光谱与待测参数之间的对应关系（称为分析模型），那么，只要测得样品的光谱，通过光谱和上述对应关系，就能很快得到所需要的质量参数数据。分析方法包括校正和预测两个过程： （1）在校正过程中，收集一定量有代表性的样品（一般需要80个样品以上），在测量其光谱图的同时，根据需要使用有关标准分析方法进行测量，得到样品的各种质量参数，称之为参考数据。通过化学计量学对光谱进行处理，并将其与参考数据关联，这样在光谱图和其参考数据之间建立起一一对应映射关系，通常称之为模型。虽然建立模型所使

第三章 太赫兹波的探测

第三章 太赫兹波的探测 和太赫兹辐射源一样，太赫兹探测也是太赫兹科技中的另一项关键技术，是太赫兹技术投入到实际应用的另一关键环节。由于目前太赫兹辐射源的功率普遍都较低，因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测技术尤为重要。太赫兹的探测方法比较多，不过依据太赫兹辐射的形式不同，可以将它们大致分为太赫兹脉冲辐射的探测和太赫兹连续波信号的探测两类。另外，本章对太赫兹单光子的探测技术也做了简要的介绍。 3.1 脉冲太赫兹信号探测 光电导取样和电光取样是两种应用最广的相干探测THz脉冲的方法。其中，电光取样又可分为时分电光取样和波分电光取样两种。此外，对应第二章中的空气产生太赫兹辐射的相关内容，本节会相应介绍一下利用空气探测太赫兹脉冲。 3.1.1 光电导取样 光电导取样是基于光导天线（photoconductive antenna, PCA）发射机理的逆过程发展起来的一种探测THz脉冲信号的探测技术。如要对THz脉冲信号进行探测，首先，需将一个未加偏置电压的PCA放置于太赫兹光路之中，以便于一个光学门控脉冲（探测脉冲）对其门控。其中，这个探测脉冲和泵浦脉冲有可调节的时间延迟关系，而这个关系可利用一个延迟线来加以实现；尔后，用一束探测脉冲打到光电导介质上，这时在介质中能够产生出电子-空穴对（自由载流子），而此时同步到达的太赫兹脉冲则作为加在PCA上的偏置电场，以此来驱动那些载流子运动，从而在PCA中形成光电流。最后，用一个与PCA相连的电流表来探测这个电流即可，如图3-1所示。其中，这个光电流与THz瞬时电场是成正比的。

图3-1 光电导偶极天线 探测脉冲（飞秒量级）的持续时间要远短于太赫兹脉冲（皮秒量级）的，所以通过改变这两个脉冲之间的时间延迟，就可以“取样”出THz的波形来，可参见图3-2。其中，这里所探测到的太赫兹信号只是入射太赫兹脉冲与PCA响应函数的卷积。在实际的光谱实验中，探测器和发射极的响应可以通过解卷积来求得，也可将信号与参考脉冲正交化来求得。 最常用的光导天线是在低温生长的砷化镓（LT-GaAs）上制作的，PCA探测器的最大带宽约为 2THz。近年来，利用持续时间约为15飞秒的超快门控脉冲，可使探测带宽达到40 THz。现在这种方法普遍采用的低温生长的GaAs、Si、半绝缘的InP等作为工作介质。 图3-2 光电导取样过程 3.1.2 电光取样 电光取样技术具有极宽的频谱响应和很高的信噪比。此外由于其测量孔径大，

D-、L-和DL-青霉胺的太赫兹时域光谱

物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao) September Acta Phys.鄄Chim.Sin.,2006,22(9)：1159~1162 D?、L?和DL?青霉胺的太赫兹时域光谱 吉特赵红卫张增艳葛敏王文锋余笑寒*徐洪杰 (中国科学院上海应用物理研究所,上海201800) 摘要利用太赫兹时域光谱技术(THz?TDS)对D?、L?和DL?青霉胺的研究发现,三种样品在0.2THz到1.8THz 波段的吸收光谱存在显著差异,实验结果表明,THz吸收光谱能够鉴别青霉胺对映异构体,这一特点将可以用于 青霉胺药物的检测.本文利用纯D?、L?青霉胺的THz吸收光谱,对D?、L?青霉胺混合样品的THz吸收光谱进行 拟合,证明可以用THz光谱定量分析混合样品中D?、L?青霉胺的相对含量.这项研究为手性药物分子检测和分 析提供了新的实验方法,也对深入了解手性药物与生物靶分子之间相互作用提供了启示. 关键词：太赫兹时域光谱,D?、L?、DL?青霉胺,对映异构体,定量分析 中图分类号：O641,O657.61 Terahertz Time?Domain Spectroscopy of D?,L?,and DL?Penicillamines JI,Te ZHAO,Hong?Wei ZHANG,Zeng?Yan GE,Min WANG,Wen?Feng YU,Xiao?Han*XU,Hong?Jie (Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai201800,P.R.China) Abstract Far?infrared absorption spectra of D?,L?,and DL?penicillamines have been measured by terahertz time? domain spectroscopy(THz?TDS)in the frequency range from0.2THz to1.8THz.The experimental results show large difference among absorption spectra of enantiomers(D?and L?penicillamines)and their racemic compound(DL? penicillamine),which probably originated from the difference of crystal structure and vibration modes of crystal lattice. The study indicates that THz?TDS can be used for discrimination of D?,L?,and DL?penicillamines.The absorption spectra of their mixtures have been fitted by the absorption spectra of D?and L?penicillamines,and we have demonstrated the feasibility of this method to determine quantitatively the mixture ratios of penicillamine enantiomers. These will not only give a new experimental method to distinguish chiral medicine,but also provide a suggestion for further comprehending the interaction of chiral medicine and target biomolecule. Keywords：THz?TDS,D?,L?,and DL?penicillamines,Enantiomers,Quantitative analysis 太赫兹(Terahertz,THz,1THz=1012Hz)辐射是位于微波和红外之间的电磁辐射,由于分子的低频转动和振动跃迁落在这个波段,使得THz光谱在化学、生物医药等领域有着广泛的应用前景[1?5].太赫兹时域光谱(THz?TDS)是一种崭新的基于飞秒激光器的光谱探测技术,它可以同时获得样品在THz波段的色散及吸收信息,并且有较高的信噪比和探测灵敏度[6].2000年,德国科学家Walther等[7]首次利用THz?TDS技术研究了视黄醛分子不同异构体9?cis,13?cis,all?trans的THz吸收光谱的显著差异,成功获得了视网膜分子不同振动模式及结构转换机制的重要证据.在对不同组成和结构的氨基酸的THz?TDS研究中发现：THz?TDS技术对探测物质结构存在的微小差异和变化非常灵敏,具有反映化合物结构与环境的指纹特性[8?10].最近我们在对几种常见五元糖的THz?TDS的研究表明该技术能够用于区 [Note]https://www.360docs.net/doc/f216191915.html, Received：February14,2006；Revised：May26,2006.*Correspondent,E?mail：yuxh@https://www.360docs.net/doc/f216191915.html,；Tel：021?59554729. 国家自然科学基金(10574134)和中国科学院知识创新工程资助项目 鬁Editorial office of Acta Physico?Chimica Sinica 1159

近红外光谱分析及其应用简介

近红外光谱分析及其应用简介 1、近红外光谱分析及其在国际、国内分析领域的定位 近红外光谱分析是将近红外谱区（800-2500nm）的光谱测量技术、化学计量学技术、计算机技术与基础测试技术交叉结合的现代分析技术，主要用于复杂样品的直接快速分析。近红外分析复杂样品时，通常首先需要将样品的近红外光谱与样品的结构、组成或性质等测量参数（用标准或认可的参比方法测得的），采用化学计量学技术加以关联，建立待测量的校正模型；然后通过对未知样品光谱的测定并应用已经建立的校正模型，来快速预测样品待测量。 近红外光谱分析技术自上世纪60年代开始首先在农业领域应用，随着化学计量学与计算机技术的发展，80年代以来逐步受到光谱分析学家的重视，该项技术逐渐成熟，90年代国际匹茨堡会议与我国的BCEIA等重要分析专业会议均先后把近红外光谱分析与紫外、红外光谱分析等技术并列，作为一种独立的分析方法；2000年PITTCON 会议上近红外光谱方法是所有光谱法中最受重视的一类方法，这种分析方法已经成为ICC（International Association for Cereal Science and Technology国际谷物科技协会）、AOAC(American Association of Official Analytical Chemists美国公职化学家协会)、AACC （American Association of Cereal Chemists美国谷物化学家协会）等行业协会的标准；各发达国家药典如USP(United States Pharmacopoeia美国药典)均收入了近红外光谱方法；我国2005年版的药典也将该方法收入。在应用方面近红外光谱分析技术已扩展到石油化工、医药、生物化学、烟草、纺织品等领域。发达国家已经将近红外方法做为质量控制、品质分析和在线分析等快速、无损分析的主要手段。 我国对近红外光谱技术的研究及应用起步较晚，上世纪70年代开始，进行了近红外光谱分析的基础与应用研究，到了90年代，石化、农业、烟草等领域开始大量应用近红外光谱分析技术，但主要是依靠国外大型分析仪器生产商的进口仪器。目前国内能够提供完整近红外光

近红外光谱分析原理

近红外光(Near Infrared,NIR)就是介于可见光(VIS)与中红外光(MIR)之间得电磁波,按ASTM(美国试验与材料检测协会)定义就是指波长在78 0～2526nm范围内得电磁波,习惯上又将近红外区划分为近红外短波(78 0~1100nm)与近红外长波(1100~2526nm)两个区域。 近红外光谱属于分子振动光谱得倍频与主频吸收光谱,主要就是由于分子振动得非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生得,具有较强得穿透能力。近红外光主要就是对含氢基团Ｘ－Ｈ(Ｘ＝Ｃ、Ｎ、Ｏ)振动得倍频与合频吸收,其中包含了大多数类型有机化合物得组成与分子结构得信息。由于不同得有机物含有不同得基团,不同得基团有不同得能级,不同得基团与同一基团在不同物理化学环境中对近红外光得吸收波长都有明显差别,且吸收系数小,发热少,因此近红外光谱可作为获取信息得一种有效得载体。近红外光照射时,频率相同得光线与基团将发生共振现象,光得能量通过分子偶极矩得变化传递给分子;而近红外光得频率与样品得振动频率不相同,该频率得红外光就不会被吸收。因此,选用连续改变频率得近红外光照射某样品时, 由于试样对不同频率近红外光得选择性吸收,通过试样后得近红外光线在某些波长范围内会变弱,透射出来得红外光线就携带有机物组分与结构得信息。通过检测器分析透射或反射光线得光密度, 就可以确定该组分得含量。 近红外光谱分析技术包括定性分析与定量分析,定性分析得目得就是确定物质得组成与结构,而定量分析则就是为了确定物质中某些组分

得含量或就是物质得品质属性得值。与常用得化学分析方法不同,近红外光谱分析法就是一种间接分析技术,就是用统计得方法在样品待测属性值与近红外光谱数据之间建立一个关联模型(或称校正模型,Calibra tion Model)。因此在对未知样品进行分析之前需要搜集一批用于建立关联模型得训练样品(或称校正样品,Calibration Samples),获得用近红外光谱仪器测得得样品光谱数据与用化学分析方法(或称参考方法,R eference method)测得得真实数据。 其工作原理就是,如果样品得组成相同,则其光谱也相同,反之亦然。如果我们建立了光谱与待测参数之间得对应关系(称为分析模型),那么,只要测得样品得光谱,通过光谱与上述对应关系,就能很快得到所需要得质量参数数据。分析方法包括校正与预测两个过程: (1)在校正过程中,收集一定量有代表性得样品(一般需要80个样品以上),在测量其光谱图得同时,根据需要使用有关标准分析方法进行测量,得到样品得各种质量参数,称之为参考数据。通过化学计量学对光谱进行处理,并将其与参考数据关联,这样在光谱图与其参考数据之间建立起一一对应映射关系,通常称之为模型。虽然建立模型所使用得样本数目很有限,但通过化学计量学处理得到得模型应具有较强得代表性。对于建立模型所使用得校正方法视样品光谱与待分析得性质关系不同而异,常用得有多元线性回归,主成分回归,偏最小二乘,人工神经网络与拓扑方法等。显然,模型所适用得范围越宽越好,但就是模型得范围大

第四章 太赫兹的时域光谱

第四章太赫兹的时域光谱 利用太赫兹脉冲可以分析材料的性质，其中太赫兹时域光谱是一种非常有效的测试手段。太赫兹脉冲时域光谱系统是在二十世纪九十年代出现的，太赫兹脉冲光谱仪利用锁模激光器产生的超快激光脉冲产生和探测太赫兹脉冲。最常用的锁模激光器是钛宝石激光器，它能产生800nm附近的飞秒激光脉冲。 太赫兹时域光谱系统是一种相干探测技术，能够同时获得太赫兹脉冲的振幅信息和相位信息，通过对时间波形进行傅立叶变换能直接得到样品的吸收系数和折射率等光学参数。太赫兹时域光谱有很高的探测信噪比和较宽的探测带宽，探测灵敏度很高，可以广泛应用于多种样品的探测。 典型的太赫兹时域光谱系统如图4-1所示，主要由飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置、太赫兹辐射探测装置和时间延迟控制系统组成。飞秒激光器产生的激光脉冲经过分束镜后被分为两束，一束激光脉冲(泵浦脉冲) 经过时间延迟系统后入射到太赫兹辐射源上产生太赫兹辐射，另一束激光脉冲（探测脉冲）和太赫兹脉冲一同入射到太赫兹探测器件上，通过调节探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟可以探测出太赫兹脉冲的整个波形。 太赫兹时域光谱系统分为透射式和反射式，所以它既可以做透射探测，也可以做反射探测，还可以在泵浦-探测的方式下研究样品的时间动力学性质。根据不同的样品、不同的测试要求可以采用不同的探测装置。 图4-1 典型的太赫兹时域光谱系统 4.1 透射式太赫兹时域光谱系统 材料的光学常数（实折射率和消光系数）是用来表征材料宏观光学性质的物理量，它是进行其他各项研究工作的基础。但是一般材料在太赫兹波段范围内的光学常数的数据比较少。利用太赫兹时域光谱技术可以很方便地提取出材料在太赫兹波段范围内的光学常数。在本节中所介绍的是T.D.Dorney和L.D.Duvillaret等人提出的太赫兹时域光谱技术提取材料光学常数的模型。实验中的太赫兹时域光谱系统

基于太赫兹时域光谱技术的生物分子鉴别及相互作用研究

基于太赫兹时域光谱技术的生物分子鉴别及相互作用研究 太赫兹波(Terahertz wave,THz)是指频率介于0.1-10THz之间的电磁辐射,处于电子学到光子学的过渡区域。作为光谱测量技术的一个重要手段,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术展现出独特的优势。太赫兹技术为生物学、物理学、化学等诸多学科的发展提供了新的研究手段。太赫兹波技术在林业科学相关研究、食品质量安全、医学检测及诊断、爆炸物检测、太赫兹通信、有机生物分子探测、天文遥感等方面都很好的应用前景。 太赫兹时域光谱技术可同时测量电场的相位和幅度,经傅里叶变换,样本材料在该波段的吸收系数、折射率以及复介电常数等参数都可以获得。太赫兹电磁波谱与有机物及生物分子(如DNA、RNA、蛋白质等)的转动和振动能量对应,是研究生物分子和有机物方面非常有效的工具。太赫兹辐射光子能量非常低,在进行生物检测时不会造成生物电离;同时太赫兹波属于远红外和毫米波范畴,具有低散射的特点。以上优点使太赫兹做生物检测时具有天然的优势。 本文在国家973计划“活细胞的太赫兹波无标记检测技术基础研究”(2015CB755401),国家自然科学基金项目“‘十二五’国家科技支撑计划项目”(2012BAK04B03),重庆市科学技术委员会项目“太赫兹复合材料无损检测成像设备”(cstc2013yykfC00007)的共同资助下,利用太赫兹时域光谱技术鉴别固相生物分子的种类;研究液相生物分子的相互作用;与超材料相结合,鉴别液相生物分子种类;研究液相生物分子间的相互作用。主要研究内容如下:1、对应用太赫兹光谱技术研究生物分子的研究现状进行了详细梳理与总结;重点介绍了与用 THz-TDS技术检测固相样本、液相样本以及液相样本与超材料结合相关的研究成果;对后续章节中实验中用到的样品制作工艺和实验设备进行描述。在此基础上,提出本文的主要研究思路和内容。2、详细说明了不同生物分子样本的制作流程及注意事项;对太赫兹辐射源的工作原理、结构及太赫兹波的探测手段和方法进行介绍;介绍了THz-TDS系统的工作原理及结构;重点讨论了透射式THz-TDS技术的原理和系统结构以及提取材料参数的理论依据和方法。 3、对外观相似,直观上难以区分,且没有明显的特征吸收峰的固相生物分子进行鉴别,首先利用主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)提取了不同生物分子样本的透射光谱数据的主成分,然后结合基于网格搜索算法的支持向

2011太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测_孟坤

第31卷,第5期 光谱学与光谱分析Vol 31,No 5,pp1305 1308 2011年5月 Spectro sco py and Spectr al Analysis M ay ,2011 太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测 孟 坤,李泽仁,刘 乔 中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳 621900 摘 要 库存炸药老化情况的检测对炸药的性能、安全性和稳定性研究意义重大。现有的老化炸药检测手段,如扫描显微技术,傅里叶变换红外光谱技术,气相色谱 质谱技术等,或者不能分辨炸药老化与否,或者只能从表观上进行分析,不能反映炸药分子结构的变化。首先应用密度泛函理论(DFT ),计算了炸药老化前后分子吸收频谱变化,从计算结果可以看出炸药分子老化前后的吸收光谱在老化前后变化明显;然后分析了太赫兹时域光谱(T Hz T DS)系统及其分辨率和测量频谱范围,结合已有实验结果以及太赫兹波本身的特点,从可行性、准确性和实用性三方面对太赫兹时域光谱技术应用于炸药老化检测进行了论证,从而提出了应用太赫兹时域光谱技术进行炸药老化检测的新方法。关键词 太赫兹;时域光谱;炸药老化 中图分类号:O 433 文献标识码:A DOI :10 3964/j issn 1000 0593(2011)05 1305 04 收稿日期:2010 06 29,修订日期:2010 09 29 基金项目:中国工程物理研究院科学技术发展基金项目(2008B0403038)资助 作者简介:孟 坤,1984年生,中国工程物理研究院流体物理研究所硕士研究生 e mail:mengk unsdu@https://www.360docs.net/doc/f216191915.html, 引 言 炸药的老化会影响到炸药的性能、安全性和稳定性[1 4],对库存炸药的老化情况的检测具有重要意义,一直是世界各 国军方关注的重要问题。炸药老化对一些炸药的机械性能以及爆炸性能有着显著的影响,如图1所示GI 920炸药老化过程中爆速和爆压的变化[1]。其中图1(a)中纵坐标为爆速,横坐标为老化天数;图1(b)中纵坐标为爆压,横坐标为老化天数。由图可见随着炸药的老化,炸药的各项爆炸性能都会有所降低,因此需要一种可行的炸药老化检测手段,以助于保持库存炸药的有效性。 现有的老化炸药非破坏性检测手段主要有扫描显微镜技术[2,3],接触角测试技术[2],傅里叶变换红外光谱技术[2],气相色谱 质谱技术[3],液相色谱技术[3],原子力显微技术等[5]。以上方法都有其特定的缺陷和一定的适用范围,不能准确测定炸药老化状况并给出量化的结果。 本文提出应用太赫兹时域光谱技术进行炸药老化的检测,通过介绍炸药老化基本机理,以T N T 炸药为例计算了炸药及其老化炸药的吸收谱结构,计算结果表明谱线结构的差别集中在太赫兹波段。从太赫兹时域光谱系统的分辨率和太赫兹波本身的特点进行分析,得出该项技术在炸药老化检测应用中有其优越性和可行性。 Fig 1 Changes on viloeity and presure of explosion of aging explosive

太赫兹波的发射与探测

论文题目:太赫兹波的发射与探测

毕业论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果，如违反有关规定或上述声明，愿意承担由此产生的一切后果。 作者签字：

摘要 本文主要概述介绍了太赫兹波的在电磁波中位置，概述利用光整流、光电导天线、参量振荡、空气等离子体等方式产生太赫兹波，以及利用电光取样、光电导天线等探测THz波的方法。简单的论述了THz时域光谱技术在某些各领域的应用。 关键词：太赫兹波产生探测时域光谱应用

目录 一绪论 (1) （一）太赫兹波在电磁波中的位置 (1) （二）太赫兹波的性质 (2) 二太赫兹波的发射 (4) （一）光导天线 (4) （二）光整流方法 (5) （三）空气产生太赫兹波 (7) （四）太赫兹参量源 (7) （五）光泵浦太赫兹激光器 (8) 三太赫兹波的探测 (10) （一）光电导取样 (10) （二）电光取样 (11) 四太赫兹波的应用 (13) （一）THz波与物质相互作用 (13) （二）太赫兹波重要方面的应用 (13) 参考文献 (17) 致谢 (19)

一绪论 太赫兹波技术的兴起，带来新兴技术的革新。太赫兹波作为电磁波谱的新开发的一个频率窗口，由于在物理，化学，生物医学，通信，安全检查等各方面都有广阔的应用前景，自发现以来太赫兹辐射源和探测器的研究在不断的取得新的进展，极大的促进了太赫兹技术的研究和发展。 （一）太赫兹波在电磁波中的位置 太赫兹波通常指的是频率在0.1THz---10THz范围内的电磁辐射.从频率看，该波段位于毫米波和红外线之间.属于远红外波段；从能量上看，在电子和光子之间，在电磁波频谱上，如图1－1所示，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是太赫兹技术基本上还是一个“空白”。究其缘由是因为在此频段上，即不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究，从而也就形成了科学家们通常所说的“太赫兹空隙”。这一波段也成为电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。近十几年来，伴随着一系列的新技术、新材料的发展和应用，尤其是超快激光技术的发展，如掺钛蓝宝石激光器的问世和迅速的商业化，为宽带相干脉冲THz辐射的产生提供了稳定、可靠的激发光源，并使之成为一种容易实现的准常规技术。这种基于超快激光技术的相干脉冲THz源的问世和广泛使用，极大地推动了THz辐射产生机理、检测技术和应用技术的蓬勃发展，使这一研究成为光物理等学科的重要前沿领域。 THz波段在电磁波谱中的位置 图1—1电磁波频谱

太赫兹(THz)技术资料讲解

太赫兹(THz)技术 一、基本概念 (1) 1. 太赫兹波 (1) 2. 太赫兹波的特点 (1) 二、国内外研究现状 (2) 1. 美国 (3) 2. 欧洲 (3) 3. 亚洲 (3) 三、太赫兹技术的应用 (4) 1. 太赫兹雷达和成像 (4) 2. 太赫兹通信 (5) 3. 太赫兹安全检查 (6) 4. 太赫兹无损检测 (7) 5. 环境探测 (7) 6. 生物医学 (8) 7. 天文观测 (8) 8. 材料特性的研究 (9) 四、太赫兹技术的研究内容 (9) 1. 太赫兹辐射源 (9) 2. 太赫兹波段信号的探测 (10) 3. 太赫兹功能器件 (10) 五、我们能做些什么 (10)

一、基本概念 1.太赫兹波 太赫兹(Terahertz)一词是弗莱明(Fleming)于1974年首次提出的，用来描述迈克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。太赫兹(THz, 1THz=1012Hz)频段是指频率从十分之几到十几太赫兹，介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域。THz波又被称为T射线，在频域上处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，在电子学向光子学的过渡区域。长期以来由于缺乏有效的THz辐射产生和检测方法，对于该波段的了解有限，使得THz成为电磁波谱中最后一个未被全面研究的频率窗口，被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”（Terahertz Gap）。 2.太赫兹波的特点 THz波具有很多独特的性质。从频谱上看，THz 辐射在电磁波谱中介于微波与红外辐射之间；在电子学领域， THz辐射被称为毫米波或亚毫米波；在光学领域，它又被称为远红外射线；从能量上看, THz波段的能量介于电子和光子之间。 THz的特殊电磁波谱位置赋予它很多优越的特性，有非常重要的学术价值和应用价值，得到了全世界各国研究人员的极大关注。 THz 波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域。在长波方向，它与毫米波有重叠，在短波方向，它与红外线有重叠。在频域上， THz处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于其所处的特殊位置，THz波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质： 1)THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以方便地对各种材料进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰，得到具有很高信噪比(大于) THz电磁波时域谱，并且具有对黑

JUICE探测器的太赫兹应用

流浪地球观后感-太赫兹技术和木星探测 美克锐科技-张宇 看完国产科幻剧片《流浪地球》，大家才明白木星是太危险，高质量大引力、强磁场高辐射、持续千年的超级风暴时速达618公里/小时，高温高速带电的等离子环等等等等，流浪中的地球能全身而退吗？让我们在地球流浪之前，多了解木星一些。 2003年伽利略号木星探测器（1989年发射）一头冲进木星大气层玉石俱焚的时候，美国宇航局（以下简称NASA）的新疆界计划刚获得国会批准。这项宏伟 计划在接下来的几十年直接影响了人类太空探索的方向，到现在已经执行到第三

项任务。前两项任务和木星关系密不可分，任务一的新视野号探测器2007年在距离木星200万公里的位置瞅了一眼就直奔冥王星去了，一骑绝尘。任务二是为木星专属定制的，NASA烧掉11亿美元打造了史上最厚探测器（180公斤重/1cm厚钛金属壳）朱诺号并在2011年发射升空，2016年抵达木星轨道开始创造木星探索的新篇章。 相比开山鼻祖伽利略号，朱诺号已经鸟枪换炮了。太阳能取代了核动力，运载火箭取代了航天飞机（伽利略号就被挑战者号事故耽误了3年）。了解木星的技术手段越来越丰富。紫外、可见光、红外、微波等等悉数上场，太赫兹频段探测器也已渐成为宇航探测的标准配置。朱诺号搭载了六通道微波辐射计（MWR/ 600MHz-22GHz）。 在朱诺号以每秒70公里的速度从木星北极向南极高速俯冲这袋烟的功夫（共俯冲了11趟），微波辐射计（MWR）火力全开穿透了木星近500 km的云层，测量了大气中水和氨气的丰度、温度同时还顺带解开了木星闪电之谜。当然其他探测器也没闲着，红外探测器拍到了绚丽到让人略感恐惧的多个气旋（直径1000公里），尖刀状的磁力计也对木星三维磁场分布进行了精密测量。

近红外光谱分析技术的数据处理方法

引言 近红外是指波长在780nm～2526nm范围内的光线，是人们认识最早的非可见光区域。习惯上又将近红外光划分为近红外短波（780nm～1100nm）和长波（1100 nm～2526 nm）两个区域.近红外光谱（Near Infrared Reflectance Spectroscopy，简称NIRS）分析技术是一项新的无损检测技术，能够高效、快速、准确地对固体、液体、粉末状等有机物样品的物理、力学和化学性质等进行无损检测。它综合运用了现代计算机技术、光谱分析技术、数理统计以及化学计量学等多个学科的最新研究果，并使之融为一体，以其独有的特点在很多领域如农业、石油、食品、生物化工、制药及临床医学等得到了广泛应用，在产品质量分析、在线检测、工艺控制等方面也获得了较大成功。近红外光谱分析技术的数据处理主要涉及两个方面的内容：一是光谱预处理方法的研究，目的是针对特定的样品体系，通过对光谱的适当处理，减弱和消除各种非目标因素对光谱的影响，净化谱图信息，为校正模型的建立和未知样品组成或性质的预测奠定基础；二是近红外光谱定性和定量方法的研究，目的在于建立稳定、可靠的定性或定量分析模型，并最终确定未知样品和对其定量。 1工作原理 近红外光谱区主要为含氢基团X-H（X=O,N,S,单健C,双健C,三健C等）的倍频和合频吸收区，物质的近红外光谱是其各基团振动的倍频和合频的综合吸收表现，包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构的信息。因为不同的有机物含有不同的基团，而不同的基团在不同化学环境中对近红外光的吸收波长不同，因此近红外光谱可以作为获取信息的一种有效载体。近红外光谱分析技术是利用被测物质在其近红外光谱区内的光学特性快速估测一项或多项化学成分含量。被测样品的光谱特征是多种组分的反射光谱的综合表现，各组分含量的测定基于各组分最佳波长的选择，按照式(1)回归方程自动测定结果：组分含量＝C0＋C1(Dp)1＋C2(Dp)2＋…＋Ck(Dp)k(1)式中：C0～k为多元线性回归系数；(Dp)1～k为各组分最佳波长的反射光密度值（D＝－lgp，p为反射比）。该方程准确的反映了定标范围内一系列样品的测定结果，与实验室常规测定法之间的标准偏差SE为：SE＝[Σ(y－x)2/(n－1)]1/2(2)式中：x表示实验室常规法测定值，y表示近红外光 谱法测值，n为样品数。 2光谱数据的预处理 仪器采集的原始光谱中除包含与样品组成有关的信息外，同时也包含来自各方面因素所产生的噪音信号。这些噪音信号会对谱图信息产生干扰，有些情况下还非常严重，从而影响校正模型的建立和对未知样品组成或性质的预测。因此，光谱数据预处理主要解决光谱噪音的滤除、数据的筛选、光谱范围的优化及消除其他因素对数据信息的影响，为下步校正模型的建立和未知样品的准确预测打下基础。常用的数据预处理方法有光谱数据的平滑、基线校正、求导、归一化处理等。 2.1数据平滑处理 信号平滑是消除噪声最常用的一种方法，其基本假设是光谱含有的噪声为零均随机白噪声，若多次测量取平均值可降低噪声提高信噪比。平滑处理常用方法有邻近点比较法、移动平均法、指数平均法等。 2.1.1邻近点比较法 对于许多干扰性的脉冲信号，将每一个数据点和它旁边邻近的数据点的

太赫兹超导探测器技术的发展与展望讲座报告

太赫兹超导探测技术发展与展望讲座报告 2012年5月10日，我有幸地聆听到我校校友紫金山天文台研究员史生才教授发表的关于太赫兹超导探测技术发展与展望的讲座。 史生才教授是“毫米波与亚毫米波实验室”首席科学家，财政部“国外引进杰出人才计划”入选者和国家杰出青年科学基金获得者，曾获2001年江苏省科技进步一等奖（排名第一）；史生才研究员在毫米波和亚毫米波超导低噪声检测技术研究方面有很深的造诣，已取得许多高水平的成果：超导HEB混频技术研究（远红外领域最灵敏的探测技术）是我国的首例，也是国际上首例利用4-K闭环低温制冷系统成功观测到超导HEB混频器件的特性；而600-720GHz超导SIS混频器（毫米波亚毫米波领域最灵敏的探测技术）达到了五倍量子极限的噪声性能，与目前国际前沿研究水平相当，在国际上该领域也有相当的影响。史生才研究员是我国毫米波和亚毫米波天文技术领域学科带头人, 目前正在主持海峡两岸SMA亚毫米波阵合作项目和参与国际合作ALMA项目（本世纪前叶国际上最大规模的天文项目）的总体构想。 他渊博的演讲给我留下了深刻的影响。他开始时主要介绍了太赫兹探测技术的发展概况，简要阐述了太赫兹波的探测方法、主要特点，以及太赫兹超导探测技术在天文学中的应用，尤其在射电望远镜的革新方面，该探测技术起到了关键的作用。利用该项技术可以研究出更灵敏的，分辨率更高的天文望远镜，这种望远镜弥补了普通光学望远镜的诸多缺点。其后，史生才教授又根据自己的科研经历谈论了一下自己在天文学领域的研究以及成果，并综述了国内外在太赫兹波领域的研究进展，对未来的发展与应用进行了乐观的展望。 太赫兹（1 THz＝1012 Hz）技术是20 世纪80 年代末发展起来的一种高新技术，近年来颇受关注，它在基础研究、工业应用、生物医学、军事等领域有相当重要的应用前景，而且随着近代天文学的发展和要求，太赫兹技术在天文学的应用也变得不可或缺。太赫兹辐射在19 世纪已经为人们所认识，但是，由于没有稳定的辐射源和探测器，对于太赫兹谱段的物质特性一直是科学界的“真空地带”。美国贝尔实验室的奥斯顿等人在研究超快半导体现象时，发现了砷化镓光电导探测效应，1982 年有关结果在美国权威杂志《科学》上发表，引发了科学界的广泛关注，成为20 世纪末的热门课题。1 太赫兹（THz）辐射与主要特性THz 辐射（T 射线）通常指的是频率在0.1 THz～10 THz（波长在30 μm～3 mm）范围内的电磁波，其长波段方向与毫米波（亚毫米波）相重合，短波段方向与红外线相重合，属于远红外波段，由于THz 波所处的特殊电磁波谱的位置，它有很多优越的特性，从而具有重大科学意义。主要表现为以下几个方面：1）量子能量和黑体温度很低。由于太赫兹波的光子能量很低，它穿透物质时，不易发生电离，因而可用来进行安全的无损检测。 2）许多物质大分子，如生物大分子的振动和旋转频率都在THz 波段，所以在THz 波段表现出很强的吸收和谐振。许多爆炸物有“太赫兹指纹”特性，这使得它们能够从衣服中及与其它材料混在一起时被鉴别出来，如毒品的检测等。穿透能力强，THz 波能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质。因此，可用其探测多种低浓度极化气体，适用于环境保护和军事化学侦察等特殊领域。 3）THz 波的时域频谱信噪比很高，这使得THz非常适用于成像应用。可见光、x 射线、电子束、中近红在工业生产等诸多领域广泛应用的主要成像信号源，与

近红外光谱分析技术的数据处理方法

近红外光谱分析技术的数据处理方法

引言 近红外是指波长在780nm～2526nm范围内的光线，是人们认识最早的非可见光区域。习惯上又将近红外光划分为近红外短波（780nm～1100nm）和长波（1100 nm～2526 nm）两个区域.近红外光谱（Near Infrared Reflectance Spectroscopy，简称NIRS）分析技术是一项新的无损检测技术，能够高效、快速、准确地对固体、液体、粉末状等有机物样品的物理、力学和化学性质等进行无损检测。它综合运用了现代计算机技术、光谱分析技术、数理统计以及化学计量学等多个学科的最新研究果，并使之融为一体，以其独有的特点在很多领域如农业、石油、食品、生物化工、制药及临床医学等得到了广泛应用，在产品质量分析、在线检测、工艺控制等方面也获得了较大成功。近红外光谱分析技术的数据处理主要涉及两个方面的内容：一是光谱预处理方法的研究，目的是针对特定的样品体系，通过对光谱的适当处理，减弱和消除各种非目标因素对光谱的影响，净化谱图信息，为校正模型的建立和未知样品组成或性质的预测奠定基础；二是近红外光谱定性和定量方法的研究，目的在于建立稳定、可靠的定性或定量分析模型，并最终确定未知样品和对其定量。 1工作原理 近红外光谱区主要为含氢基团X-H（X=O,N,S,单健C,双健C,三健C等）的倍频和合频吸收区，物质的近红外光谱是其各基团振动的倍频和合频的综合吸收表现，包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构的信息。因为不同的有机物含有不同的基团，而不同的基团在不同化学环境中对近红外光的吸收波长不同，因此近红外光谱可以作为获取信息的一种有效载体。近红外光谱分析技术是利用被测物质在其近红外光谱区内的光学特性快速估测一项或多项化学成分含量。被测样品的光谱特征是多种组分的反射光谱的综合表现，各组分含量的测定基于各组分最佳波长的选择，按照式(1)回归方程自动测定结果：组分含量＝C0＋C1(Dp)1＋C2(Dp)2＋…＋Ck(Dp)k(1)式中：C0～k为多元线性回归系数；(Dp)1～k为各组分最佳波长的反射光密度值（D＝－lgp，p为反射比）。该方程准确的反映了定标范围内一系列样品的测定结果，与实验室常规测定法之间的标准偏差SE为：SE＝[Σ(y－x)2/(n－1)]1/2(2)式中：x表示实验室常规法测定值，y表示近红外光 谱法测值，n为样品数。 2光谱数据的预处理 仪器采集的原始光谱中除包含与样品组成有关的信息外，同时也包含来自各方面因素所产生的噪音信号。这些噪音信号会对谱图信息产生干扰，有些情况下还非常严重，从而影响校正模型的建立和对未知样品组成或性质的预测。因此，光谱数据预处理主要解决光谱噪音的滤除、数据的筛选、光谱范围的优化及消除其他因素对数据信息的影响，为下步校正模型的建立和未知样品的准确预测打下基础。常用的数据预处理方法有光谱数据的平滑、基线校正、求导、归一化处理等。 2.1数据平滑处理 信号平滑是消除噪声最常用的一种方法，其基本假设是光谱含有的噪声为零均随机白噪声，若多次测量取平均值可降低噪声提高信噪比。平滑处理常用方法有邻近点比较法、移动平均法、指数平均法等。 2.1.1邻近点比较法

自建太赫兹时域光谱仪解决方案

Kit for building your own THz Time-Domain Spectrometer

Table of contents 0.Parts for the THz Kit (3) 1.Delay line (4) 2.Pulse generator and lock-in detector (5) 3.THz antennas (6) 4.T3DS software (7) 5.Basic steps to build your THz spectrometer (8) 6.Contact details (12)

0.Parts for the THz Kit The kit to build your THz Time-Domain spectrometer includes the following items: ?delay line (linear stage) from Zaber Technologies to match the pulse propagation times of optical and THz beam path ?combined pulse generator and lock-in detector based on a data acquisition system from National Instruments ?set of two THz antennas (free space or fiber-coupled) ?laptop with T3DS software to control the delay line and the data acquisition system