激光偏振态对光纤型太赫兹时域光谱仪的影响

采用光纤飞秒激光器与光纤耦合型太赫兹光电导天线相结合的方案,设计并研制了光纤型太赫兹时域光谱系统。通过实验研究了激光偏振态对太赫兹时域波形、强度以及光谱特性的影响,通过对飞秒激光偏振态的精确控制与优化,消除了时域脉冲分裂现象,获得了高信噪比的单脉冲太赫兹时域波形。

太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比校准技术

光谱范围和信噪比是评价太赫兹时域光谱仪性能的重要参数。为了解决太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比的校准问题,介绍了太赫兹时域光谱仪的构成及原理,比较了目前常用的光谱范围和时域信噪比校准方法的优缺点,并优选其中一种方法,设计了太赫兹时域频域信噪比参数校准方法。以空测时频域信号幅值最大值的1/M对应的频率范围作为光谱范围,研究了M取值对光谱范围的影响。M值越大,则光谱范围越宽。当M值≥50时,光谱范围变化不大。对空测时域信号的信号和噪声进行定义,并计算出时域信噪比。以空测时的频域功率谱作为信号,以金属板遮挡光路时的频域功率谱作为噪声,从而计算出频域信噪比。进行了光谱范围和信噪比校准实验,采用对照法研究了湿度变化对太赫兹时域光谱仪测量范围和信噪比参数的影响。当相对湿度≤50%时,对光谱范围和时域信噪比影响不大;当相对湿度>50%时,因为空气中水蒸气对于太赫兹的吸收急剧增加,光谱范围和信噪比急剧缩小。

光纤型变角度太赫兹时域光谱测量系统研究

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是一种非常有效的相干光谱探测技术,被广泛应用于材料特性分析、爆炸物探测、医学诊断以及气体检测等众多领域。传统THz-TDS系统采用钛宝石飞秒激光器作为光源,体积大、成本高,限制了THz-TDS的大规模应用。光纤激光技术近年来发展迅速,光纤飞秒激光器近年来已实现商用,尤其是掺铒光纤飞秒激光器,具有成本低、体积小、稳定性好等优点。采用全光纤的设计方案, THz-TDS系统可设计的非常紧凑和灵活,同时由于飞秒激光在光纤中传输,大大提高了系统的抗环境干扰能力,在工业和现场测量方面具有巨大的应用潜力。但另一方面,由于色散展宽、偏振方向不匹配等效应的影响,会对THz-TDS系统的性能造成严重影响,需要在系统设计时充分考虑。本文设计研制了光纤型THz-TDS系统,对光学、电学和软件三个子系统分别进行了简要介绍。通过插入色散补偿光纤进行色散管理实现了飞秒脉冲宽度的控制,使得到达太赫兹光电导天线的飞秒脉冲宽度保持在50 fs左右,从而消除了因飞秒脉冲展宽导致的太赫兹时域脉冲展宽。通过对飞秒激光偏振态的精确控制,使泵浦激光和探测激光偏振方向与保偏光纤的快轴或慢轴保持平行,避免飞秒脉冲同时沿快慢轴传输导致到达太赫兹天线的时间存在先后,从而消除了太赫兹时域脉冲的分裂现象,获得了信噪比优于12 000的单脉冲太赫兹时域波形。采用变角度光路结构设计,实现了太赫兹透、反射光谱测量的便捷切换,以及变角度太赫兹光谱的测量,给THz-TDS系统的应用带来了很大的方便。

1550 nm激光激发的紧凑型太赫兹时域光谱仪

为开发紧凑、轻质量、高稳定度的光纤耦合太赫兹时域光谱仪(THz-TDS),从色散补偿、非线性效应、偏振效应、天线参数等方面对基于1550nm波长的光纤飞秒激光器激发的太赫兹时域光谱系统进行理论及实验研究。结果显示,光纤耦合的光谱仪光谱带宽可达4.5 THz,动态范围达70 dB,质量12.3 kg,光路模块体积250 mm×90 mm×50 mm。进一步测试机械振动及环境温度对仪器的影响,在一定范围内,仪器具有较高的鲁棒性,可适应工业产业应用需求。

光子晶体光纤及其在太赫兹波段的应用

太赫兹(Terahertz, THz)技术作为一项非常重要的交叉前沿学科,给环境检测、生物医学、空间通信等领域带来了深远的影响,但因为THz波导传输性能的影响,THz技术综合发展仍然受到一定限制。光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)作为一种新型THz波导,拥有无限单模特性、色散灵活可调、可控的非线性、高双折射等特性,极大的促进了THz技术的发展。首先根据PCF的结构特点总结了实芯PCF(Solid Core PCF, SC-PCF)和空芯PCF(Hollow Core PCF, HC-PCF)各自的发展历程、导光机理和光学特性;其次,梳理了用于THz波导的PCF存在的问题以及对应的解决方法;然后,着重介绍了PCF在THz时域光谱、THz传输与通信以及THz光纤耦合传感中的应用;最后,对PCF在THz技术的应用做了总结与展望。

基于太赫兹时域光谱技术的磺胺甲噁唑多晶型现象(英文)

磺胺甲噁唑（SMX）作为典型的一类光谱抗生素，经常被用于敏感菌引起的各类感染。由于其晶体内部结构的不同，SMX将以两种不同的多晶型形式存在。不同晶型常常具有不同的物理化学性质，这些差异可能会对药物的流动性、稳定性以及药效等有较大影响。新兴发展起来的太赫兹光谱技术对于分子间弱的相互作用及大分子的骨架振动、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收都非常敏感，在药物以及生物等领域获得了重要的应用。利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术在室温下对两种不同多晶型SMX类药物在0.2~1.5 THz范围内进行了光谱测量，得到对应的吸收谱，发现其在太赫兹波段都有明显的特征吸收峰，可作为其指纹谱用于该类药物多晶型的识别。不同温度下（95~296 K）获得太赫兹时域波形以及对应的频域吸收谱图，结果发现时域波形以及频域吸收谱均与温度呈现规律变化。该研究结果表明THz-TDS技术药物与生物领域研究、区分药物分子多晶型现象等方面具有重要的应用。

便携式太赫兹时域光谱仪的研制

太赫兹时域光谱分析技术通过测量太赫兹脉冲波形获得宽频带的光谱信息,根据光谱表现的丰富特征可以对危险性或有害性物质进行探测鉴别,在安全检查和质量控制领域有广阔的应用前景。为了将这项技术应用于实际检测中,设计研制了便携式的太赫兹时域光谱仪样机。通过优化光路和机械结构,系统具备良好的便携性;通过连续扫描光学延迟线实现了对太赫兹光谱的快速测量。经测试,光谱带宽达到0.1 THz^2.8 THz,光谱分辨率好于50 GHz,动态范围达到46 dB,测量时间为10 s。与传统的太赫兹时域光谱仪相比,所研制的样机具有结构紧凑和测量速度快的优点,满足实用化需求。

还原型及氧化型谷胱甘肽的太赫兹时域光谱研究

利用太赫兹时域光谱技术研究了还原型及氧化型谷胱甘肽在0.2-1.4THz波段的光谱特性,结果显示它们在测量波段表现出不同的吸收位置和吸收强度,同时折射率也表现出明显的差异,表明THz波对它们结构的变化有灵敏响应。研究提示太赫兹时域光谱技术作为一种新的光谱研究手段具有用于多肽及蛋白质等生物大分子结构与功能研究的潜力。

基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪器及其工程化产业化开发

本项目属通用科学仪器设备开发,在已有研究成果基础上通过创造性的融合,完成太赫兹源、探测器等模块之间匹配结合,使光谱仪系统整机性能指标达到或超过国外同类先进产品的水平,形成太赫兹时域光谱仪的集成创新和产品竞争优势,由大恒公司进行工程化与产业化。该仪器以食品安全监测、药品分析、临床检测、油气分析等民生重大需求为应用示范,推广至材料无损检测、环境监测等更多领域。本项目将以太赫兹光电子学教育部重点实验室为依托,联合相关高校与研究机构构建一个太赫兹仪器研发基地。以大恒公司为依托,打造太赫兹仪器的工程化和产业化基地。该项目的实施将培养一支我国太赫兹仪器研发、工程化和产业化人才队伍。

高性能和强扩展性的太赫兹时域光谱仪的研制

太赫兹波具有低能、宽带和独特的时域脉冲特性等特点,使其在材料物质科学领域具有着重要的应用价值.自主搭建了一套基于光电导天线的太赫兹时域光谱仪.从介绍光电导天线产生和探测太赫兹波的原理出发,重点阐述了太赫兹时域光谱仪的光路设计优化、搭建调试、功能拓展和应用实例分析,为自主研制高性能太赫兹时域光谱仪提供了方法和经验.

光纤耦合太赫兹时域光谱采样技术

主要对基于光电导天线的典型光纤耦合太赫兹时域光谱采样技术及典型光纤耦合太赫兹时域光谱系统进行了介绍。光电导天线是太赫兹时域脉冲信号产生和探测的关键部件,目前基于光电导天线的光纤耦合太赫兹时域光谱采样技术主要有3种,分别为等效时间采样法、异步采样法和腔长调谐光学采样法。对3种不同采样方法的技术原理进行了分析,并对基于不同采样原理的光纤耦合太赫兹时域光谱系统结构进行了介绍,给出了基于不同采样原理的光纤耦合太赫兹时域光谱系统典型产品说明和关键技术指标,说明了基于不同采样方法的系统特点。可为不同的应用需求提供技术参考,为自主搭建基于不同采样技术的光线耦合太赫兹时域光谱系统提供技术支持。

一种用于光纤耦合式太赫兹时域光谱系统的高稳定光学延迟线设计

对于光纤耦合式太赫兹时域光谱系统,其工作稳定性主要受限于光学延迟线延迟扫描过程中的插损稳定性。为了解决这一问题,设计了一种新型的高稳定光学延迟扫描装置。将新型光学延迟线与传统光学延迟线进行光学仿真公差分析表明,当其内部的角锥反射镜和光纤准直器具有相同程度的倾斜和偏心条件时,新型光学延迟线所获得的耦合效率波动量远小于传统光学延迟线。通过太赫兹时域波形对比结果表明,使用其方案所设计的新型光学延迟线所获得的太赫兹时域信号峰值波动量仅有传统光学延迟线的1/4。为提升光纤耦合式太赫兹时域光谱系统的稳定性提供了一种可行性方案。

太赫兹时域光谱仪在陶瓷涂层及低压气体检测中的应用

太赫兹时域光谱仪(Terahertz Time-Domain Spectrometer,THz--TDS)在光谱学、材料表征、安检、通信等众多领域具有广阔的应用前景。介绍了一种稳定的波长为1560 nm的光纤短脉冲激光器以及一种基于该激光器的THz--TDS系统。然后用该系统对几种陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMC)进行了无损检测。特别是在对热障涂层(Thermal Barrier Coating,TBC)的厚度进行检测时,实现了微米量级的精度。相比于传统方法,太赫兹波对CMC具有较强的穿透性并且应用灵活,因此提供了更好的解决方案。最后使用太赫兹异步光学采样系统(Terahertz Asynchronous Optical Sampling,THz--ASOPS)对低压水蒸气进行了高分辨率光谱分析。结果表明,光谱分辨率达到10 MHz,比传统的THz--TDS提高了100倍以上。

硫代巴比妥酸多晶型的太赫兹光谱和DFT理论分析

硫代巴比妥酸是目前多晶型种类较丰富的一类固体药物。利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对硫代巴比妥酸晶型Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ和水合晶型进行表征分析,得到明显不同的太赫兹光谱,表明THz光谱技术可以有效鉴别硫代巴比妥酸不同类多晶型。硫代巴比妥酸晶型Ⅳ为异构多晶型,它在0.65THz处的宽峰以及1.02,1.41THz处的吸收峰明显区别于晶型Ⅰ和Ⅱ简单的物理混合。运用密度泛函理论(DFT)对硫代巴比妥酸晶型Ⅳ的两种可能结构进行了分子结构优化和光谱模拟,模拟结果显示其中的结构a在0.41/0.47,0.89和1.35THz处具有吸收峰,与实验结果较吻合。由此推断晶型Ⅳ由硫代巴比妥酸异构体A的硫酮键中的S7和异构体B酰胺中的H_23构成第一处氢键,异构体B硫酮键中的S20和异构体A酰胺中的H13形成第二处氢键。本文还结合理论模拟结果对硫代巴比妥酸晶型Ⅳ的振动模式进行归属。

低阻单晶硅的太赫兹时域光谱分析

本文应用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）研究了N型和P型具有〈100〉和〈111〉不同晶向的单面抛光和双面抛光的低阻（电阻率为1~5Ω·cm）单晶硅在太赫兹波段的光学性质。结果表明,在具有相同晶向和电阻率的不同掺杂类型的单晶硅中P型硅的折射率大于N型硅,并且单面抛光的大于双面抛光。为太赫兹时域光谱技术在单晶硅的掺杂类型和晶向的鉴别方面提供了有效快速的实验方法。

利用太赫兹光谱和密度泛函理论研究烟酰胺-庚二酸共晶体的多晶型

烟酰胺,又称为维生素PP,是辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ的组成部分,是许多脱氢酶的辅酶。庚二酸是一种广泛使用的共晶体前体。烟酰胺与庚二酸形成的药物共晶体具有两种不同的多晶型,分别为晶型Ⅰ和晶型Ⅱ。不同的药物晶型常常具有不同的物理化学性质,这些差异可能会对药物的溶出速率、稳定性以及药效具有较大影响,因此在药物领域中寻找合适的技术手段鉴别药物的不同晶型非常重要。利用太赫兹时域光谱在室温下对烟酰胺-庚二酸的两种共晶体在0.2～2.2 THz范围内进行检测,发现两者的特征吸收峰具有明显的差异,晶型Ⅰ在1.51, 1.73, 1.94, 2.01和2.17 THz有五个特征吸收峰,其中在1.94, 2.01和2.17 THz处是三个吸收强度较大的峰,而晶型Ⅱ在1.66, 1.74, 1.88, 2.02和2.16 THz有五个特征吸收峰,与晶型Ⅰ不同的是在2.02和2.16 THz处有两个强度较大的吸收峰。利用密度泛函理论对烟酰胺-庚二酸两种共晶体进行理论计算,计算结果表明实验峰与理论峰基本对应,对吸收峰指认归属表明特征吸收峰来源于分子骨架的振动与包含氢键的振动。研究结果表明太赫兹时域光谱技术对于区分药物共晶体的多晶型现象具有重要的应用。

新型太赫兹波塑料光子晶体光纤的色散特性

文章提出一种新型低损耗太赫兹波塑料光子晶体光纤(THz-PPCF)结构,其包层是由两种直径不同的空气孔周期性排列而成。利用时域有限差分法(FDTD)对其色散特性进行了分析。结果表明,通过调节包层中两种空气孔的直径以及晶格常数,可以得到低损耗、超平坦趋于零色散的太赫兹波塑料光子晶体光纤。

氯磺丙脲Ⅰ型与Ⅲ型的红外、拉曼及太赫兹光谱研究

使用FTIR,FT-Raman和太赫兹时域光谱(terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS)技术在室温下对氯磺丙脲的Ⅰ型与Ⅲ型进行分析与表征。结果显示氯磺丙脲Ⅰ型与Ⅲ型在三种光谱中都表现出明显的差异。红外光谱与拉曼光谱中,Ⅰ型与Ⅲ型的光谱差异主要是吸收峰峰位的移动和峰强的改变;此外,在拉曼光谱中Ⅲ型在100~1 800cm^(-1)的特征峰明显多于Ⅰ型;太赫兹光谱中,Ⅰ型在0.90,1.09和1.29THz处有特征峰,而Ⅲ型在0.92,1.11,1.23和1.63THz处有特征峰,尤其是1.63THz处的一个强峰,明显区别于Ⅰ型。采用密度泛函理论(DFT)对氯磺丙脲两种晶型进行分子模拟,模拟结果与实验光谱较好吻合,同时模拟结果也表明氯磺丙脲Ⅰ型与Ⅲ型在0.9和1.1THz处的多分子振动模式相同,可以为氯磺丙脲其他晶型的太赫兹谱归属提供参考。该结果为药物多晶型的IR,Raman以及太赫兹光谱研究提供了依据。

基于太赫兹时域光谱系统共光路光纤耦合系统的设计及误差分析

太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)是检测物质组成和变化的先进科学装置,可以准确定位和分析物质的微小变化,对物理学、化学、生物学等多个学科的发展产生了深远影响。光纤式THz-TDS在光路传播时具有能量传输损失少、结构紧凑等优点。在光纤式THz-TDS的基础上,将双透镜和旋转延迟线结合,通过研究分析耦合效率理论和双透镜传输特性,利用光学软件ZEMAX设计了一款双透镜准直耦合收发一体共光路系统。为了得到更高的单模光纤耦合效率,研究分析了激光与光纤的耦合原理及耦合误差,并且绘制了耦合失配时的效率曲线。研究结果表明:高斯传播单模光纤的耦合效率达到了76.27%,可以满足稳定辐射太赫兹信号的要求,同时,光纤耦合效率的提高对于增大THz-TDS的太赫兹脉冲信号带宽具有一定帮助。