太赫兹时域光谱技术在材料科学领域研究进展

太赫兹时域光谱技术是一种研究材料中载流子超快动力学过程及光电导率特性的重要实验手段。近年来,随着材料科学的飞速发展,人们应用太赫兹时域光谱技术研究了包括二维层状材料、钙钛矿材料和碳基低维材料等新型材料中光生载流子、激子和极化子等粒子及准粒子在皮秒时间尺度上的超快动力学过程及在太赫兹波段的光电导特性。本文主要介绍近5年来太赫兹时域光谱技术在材料科学领域取得的最新研究进展,并对太赫兹时域光谱技术在材料科学领域的应用做出展望。

基于太赫兹时域光谱技术的CFRP薄涂层厚度检测方法

针对碳纤维增强复合材料(CFRP)上的薄涂层测厚存在的基底各向异性、多重反射、回波重叠、环境噪声等问题,提出基于太赫兹时域光谱技术与稀疏分解的涂层测厚方法,并在仿真波形和实际样品上成功验证。CFRP通常由碳纤维与环氧基体牢固结合并多层复合而成,具有各向异性特点,在光学性质上表现为CFRP上同一位置不同入射方向、同一入射方向不同位置的反射波形均存在差别。这致使基于理论模型的优化算法用于其上涂层测厚时精度有待提高。另外,在涂层较薄时,受噪声与多重反射等因素的干扰,无法直接在时域根据反射波形区分涂层界面,即直接使用飞行时间法(TOF)难以获得涂层厚度。为此,使用稀疏分解法来定位薄涂层的分界面,再结合TOF法计算CFRP上薄涂层的厚度。首先,分析了多层结构上的太赫兹反射信号与信号稀疏分解模型之间的联系,并利用参考信号构成稀疏字典。然后,鉴于太赫兹信号的传播路径只在分界面发生改变这一先验知识,即涂层层数决定了信号稀疏分解后非零脉冲个数,使用前向正交匹配追踪算法(LAOMP)求解太赫兹反射信号的稀疏表示。LAOMP算法可直接指定稀疏度,便于选择稀疏脉冲定位涂层分界面。获得对应于各涂层界面的脉冲后,使用TOF法求得涂层的厚度。最后,在总厚度分别为102和66μm的双涂层仿真数据与实际样品上验证方法的性能,并与经典基于L1范数的谱投影梯度算法(SPGL1)进行了对比。结果表明:在相邻涂层折射率差别较小的情况下,LAOMP算法可以有效检测CFRP上35μm的薄涂层。在总厚度为66μm的双涂层样件上,检测误差在11%以内,具有调参简单、结果稳定的优点。

太赫兹光谱技术在食品污染检测中的研究进展

随着新的食品加工技术及新型食品材料的不断涌现,食品污染问题也越来越多,国际食品安全事件频繁爆发,食品污染造成的食源性疾病对人民生命健康造成严重威胁,如何把控好食品质量成为人们关注的焦点问题。太赫兹技术作为一项新兴的检测技术,其反映样品的物理结构、性质及化学成分的同时,也获取样品在太赫兹波段的时域和频域信息作为物质“指纹”谱,用于无损检测和识别领域并取得了一定的成果。相较于传统的检测手段,太赫兹技术安全性高、透视性好以及波谱分辨能力强等优势使其在食品污染检测领域具有极大的应用潜力和应用前景。文章简述了太赫兹光谱技术的基本原理,以其中最为常用的太赫兹时域光谱技术为主要研究重点,对该技术在食品生物性污染、化学性污染、物理性污染检测方面的应用研究工作进行了重点归纳总结,最后聚焦于太赫兹技术在食品污染检测领域的实际应用现状,讨论其发展趋势和应用前景,并分析目前研究仍存在的问题,以期为太赫兹技术在食品安全检测领域未来的进一步发展提供参考。

太赫兹时域光谱技术及激光雷达光谱探测误差分析与实验验证

太赫兹波是指频率介于0.1-10 THz之间的电磁辐射,在电磁波谱上位于微波和远红外光之间。大多数生物战剂爆炸物在此波段有特征吸收。与在公共安全领域检测武器、生物战剂等危险品的传统方法相比,太赫兹辐射能量低,不会产生电离辐射,对物质可以做到高灵敏、无损伤和远距离检测。介绍了国内外太赫兹时域光谱技术在在生物战剂爆炸物检测方面的研究最新进展,并设计了一种激光雷达光谱探测与实时测量装置,以傅里叶光学与光信号处理为基础,使用楔形标准具作为分光镜,实现背景噪声去除、激光探测和光谱测量。测试结果表明,可探测激光雷达脉冲宽度为10 ns,并初步探讨了影响实验结果的几种因素,提出将激光雷达光谱探测技术与太赫兹时域光谱技术相结合,并采用现代模式识别、信号处理技术是生物化学战剂爆炸物实时光谱检测技术的发展趋势。

太赫兹时域光谱成像增强算法

低分辨率是扫描太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统图像的一个重要缺点.本文提出了一种针对太赫兹时域光谱图像的超分辨率增强算法,该算法结合了多层感知机(MLP)和超分辨率卷积神经网络(SRCNN),创建了一个复合网络.本文算法针对太赫兹光谱图像的特点,通过引入新的目标函数,避免了传统机器学习算法需要采集或模拟生成大量训练集的弊端,实现了训练图像即目标图像的单幅光谱图像增强.为了实现这一目标,本文算法的基本原理是,让试件产生一个刚体位移,利用THz-TDS系统采集位移前后两幅三维(1个时间维,2个空间维)光谱图像作为输入数据.机器学习网络包括两部分:首先,利用一个MLP网络实现三维光谱图像到二维光强图像的转化;其次,采用传统针对二维图像的SRCNN网络获取一幅高分辨率图像,对位移前后图像处理后计算得到新的高分辨率图像的位移场,并将位移场方差作为目标函数,再通过机器学习算法,优化网络中的成像参数,实现太赫兹光谱图像的分辨率增强.典型验证性实验最终得到的峰值信噪比为42.65 dB,结构相似度为0.816,均比其他现有方法高,表明本文算法能获得良好的图像增强.

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．

太赫兹时域光谱技术在危险品检测方面的应用

太赫兹波（terahertz，THz，T-ray）是指频率介于0．1～10THz之间的电磁辐射，在电磁波谱上位于微波和远红外线之间。大多数爆炸物、毒品在此波段有特征吸收。与在公共安全领域检测武器、爆炸物、毒品等危险品的传统方法相比，太赫兹辐射能量低，不会产生电离辐射，也不会引起安全担忧。而且，太赫兹波对于衣物等大多数包装材料有很强的穿透力，对物质的检测可以做到高灵敏、无损伤和远距离，因此在反恐、毒品、安全检测等方面具有显著潜在优势。文章介绍了国内外太赫兹时域光谱技术（terahertz timedomainspectroscopy，THz-TDS）在爆炸物及毒品检测方面的研究最新进展；详细讨论了黑索金（RDX）的研究现状，并初步探讨了影响实验结果的几种因素。

太赫兹时域光谱及成像技术在农作物品质检测中的应用研究进展

太赫兹辐射以其独特的技术优势,如瞬时性、宽带性、相干性、低能量性、穿透性和吸收性,受到了全世界各国政府、高等院校、科研机构等的高度重视并日趋成为生物医学、材料科学和物理学等领域的新兴研究热点。农作物成分如水分、蛋白、脂肪、淀粉等理论上在太赫兹谱区有较为丰富的吸收;太赫兹波的低辐射特性对农业生物样本检测更为安全;太赫兹波的穿透特性对带包装样本、包衣样本的检测又独具优势;太赫兹时域光谱与成像技术结合还可以进一步对农作物样本的组织形态进行辨别评价,因此太赫兹波技术逐渐成为农作物品质检测领域一项极具应用潜力和应用前景的前沿分析技术。简述了太赫兹时域光谱及成像技术的基本原理,聚焦于太赫兹时域光谱及成像技术在农作物品质检测领域的应用研究现状,对该技术在农作物种子质量鉴别(如品种、转基因和活力)、农作物成分分析(如糖类、水分和淀粉),农作物贮藏品质判别(如新陈度、劣变和虫蚀)以及在农产品安全检测(如农药残留、非法添加物和异物)方面的新近研究工作和进展进行归纳总结,并展望了该技术在农作物品质检测领域的应用前景和发展趋势。

红薯淀粉中添加剂明矾的定性和定量太赫兹时域光谱技术检测

应用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对红薯淀粉中的添加剂明矾进行了实验研究,获得了红薯淀粉和明矾的太赫兹时域光谱和频域光谱,通过计算得到二者的吸收系数谱和折射率谱,吸收系数谱显示明矾在太赫兹波段有明显的特征吸收峰,可以用THz-TDS技术对淀粉中的明矾进行特征识别。实验获得了红薯淀粉中掺杂不同百分比(质量分数)明矾的太赫兹时域光谱,计算得到吸收系数谱和折射率谱,发现随着明矾含量的增加吸收峰的幅度下降,折射率逐渐下降,说明THz-TDS技术可以用于淀粉中明矾的定性识别和定量检测。

基于太赫兹时域光谱技术的煤岩界面识别

为了研究基于太赫兹时域光谱的煤岩界面识别可行性,首先应用太赫兹时域光谱技术,以气煤和砂岩粉末压片作为实验样本进行了相关实验,得到了太赫兹脉冲穿过不同样本时所产生的时间延迟和衰减幅度。然后采用Hilbert-Huang变换对煤岩样的太赫兹光谱进行了时频域分析,并与由传统快速傅里叶变换方法获得的样品频谱进行了对比,结果表明,在时频域内太赫兹光谱信号具有更高的分辨率,可以更好、更直观地分析太赫兹脉冲在任意时刻的频率、能量成分,研究任意频率在不同时刻对吸收谱线的作用。最后介绍了基于太赫兹时域光谱技术的煤岩界面识别过程,通过实验验证了采用Hilbert谱和边际谱提取出的光谱特征值可以很好地区分煤岩介质。

基于太赫兹时域光谱技术的煤岩识别方法研究

煤岩识别一直是制约煤矿无人化开采的关键问题之一。传统的人工采煤因为工作环境极其复杂,很难精准地找到煤岩的分界面,容易造成欠切割或过切割现象。太赫兹光谱技术作为一种无损探测技术,能够反映出被测物体的物理和化学信息,可以成为研究煤岩识别的有效方法。采用太赫兹时域光谱技术与多元统计法-聚类分析(CA)和主成分分析(PCA)相结合的方法来识别不同种类的煤岩。通过透射式太赫兹光谱仪获得六种煤岩样品的太赫兹光谱,对其进行FFT等一系列数学计算可以得到各种样品的折射率、吸收系数以及介电常数。计算结果表明不同种类的煤岩在折射率、吸收系数上都存在差异。分析各类煤炭样品的折射率和吸收系数与样品的各组成成分含量之间的关系,可以发现碳含量是影响其样品折射率大小的因素之一,灰分含量是影响其样品吸收系数大小的因素之一。聚类分析中两类样品的欧氏距离与主成分分析中的第一主成分(PC1)得分都能反映煤岩样品之间的相似性和相异性,并且CA与PCA的结果保持一致。分别将各类样品在0.5~2.5 THz频率范围内的折射率、吸收系数与CA和PCA结合,组成太赫兹数据与煤岩之间的模型。分析表明:根据不同样品之间的相似性,两种模型中六种煤岩样品均被分为两类;在各种样品的吸收系数与CA-PCA组成的模型中,四种煤炭被聚集在一起,并且石英砂岩(GSR-4)具有很好的独特性:石英砂岩拥有最小的PC1得分值以及石英砂岩与第二类之间的欧氏距离最大,为219.03。由此可见采用太赫兹技术与多元统计方法结合,可以实现煤岩的准确识别,识别准确率可以达到100%。

一种利用透射式太赫兹时域光谱技术精确提取样品折射率的方法

运用透射式太赫兹时域光谱技术提取可区分回波样品折射率,主要依靠测得信号的相位差计算得到.具体有两种方法:一是利用参考脉冲和太赫兹波第一次透过样品的脉冲信号,二是利用太赫兹波第一次透过样品的脉冲信号和经样品内部反射两次后的第二个透射信号.实际操作中入射光束与样品表面法线存在夹角,该夹角不易测量,计算时通常忽略,这会最终引起折射率的测量误差,且该误差与选用的折射率提取方法有关.在分析两种方法因夹角引起误差的基础上,提出一种全新的折射率修正方法,该方法能从理论上消除夹角引起的误差,同时实验验证了该方法的有效性.

太赫兹时域光谱技术在化学领域中应用的新进展

随着超快激光技术的发展及其人们对太赫兹(THz)电磁波波段及与脉冲光源认识的进一步深入,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术作为一种新的、快速发展的光谱分析方法在许多领域备受关注。尤其在化学领域,THz-TDS技术已得到了广泛的应用,并显示出了广阔的应用前景。本文介绍了THz技术的特点、THz辐射的产生、探测及其信号处理;讨论了该技术在化学及其相关领域中的应用;初步探讨了该技术在化学领域应用中一些亟待解决的问题及今后发展的方向。

基于太赫兹时域光谱技术的红木分类识别

提出了一种利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)进行红木分类识别方法。红木价格昂贵,同时由于种类繁多难以识别,导致红木市场以次充好,以假乱真的现象层出不穷,严重扰乱了市场秩序,给生产者和消费者造成巨大的经济损失,传统的红木分类识别方法难以兼顾准确性和快速性,因此需要研究一种新的方法对现有木材分类识别方法进行补充和发展。相比于传统方法,太赫兹波对红木具有良好的穿透性及指纹特性,在红木的分类识别中有较大的应用潜力。选用5种红木(巴里黄檀、奥氏黄檀、大叶紫檀、小叶紫檀、交趾黄檀)作为试验样品木材。利用THz-TDS系统得到木材的太赫兹时域光谱,通过对五种木材的太赫兹时域光谱进行快速傅里叶变换,得到木材太赫兹频域光谱,并对太赫兹时域光谱提取光学参数,分别得到木材的太赫兹折射率谱和吸收系数谱,结果表明不同种类的木材在时域光谱上具有时间延迟线与振幅的差异,在频域光谱上显示衰减趋势及幅值各不相同,在吸收系数谱中各种类红木吸收峰出现的频段不同,能够直观地展示出各种类木材之间的区别,表明THz-TDS进行红木分类识别具有一定的可行性。利用连续投影算法(SPA)提取吸收系数谱和折射率谱的特征频率,对吸收系数谱260个频率点筛选出28个特征频率点,频段占比10.77%;对折射率谱260个频率点筛选出12个特征频率点,频段占比4.62%。分别建立基于吸收系数谱和折射率谱的随机森林分类模型和支持向量机(SVM)红木分类模型,并对各模型分类结果进行对比。实验结果表明,THz-TDS具有良好的木材识别效果,基于木材太赫兹吸收系数谱和折射率谱建立的随机森林分类模型对红木种类有着较好的分类性能,总体分类准确率分别达到了94%和96%,能够准确对红木种类进行分类识别。利用太赫兹时域光谱技术实现了红木的分类识别,为红木的分类识别提供了一个新的思路和技术方案,能够作为近红外光谱木材检测方法的补充,同时为太赫兹技术在木材分类识别领域的应用提供了理论基础。

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。

太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测

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(THz-TDS)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。

利用太赫兹时域光谱技术对环三亚甲基三硝胺(RDX)振动谱的研究

针对爆炸物及其相关成分的感测科学和技术对于国土安全和国家防御有着至关重要的地位,对单质炸药环三亚甲基三硝胺(RDX)进行了太赫兹(THz)谱的实验测量和理论分析。利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)给出了这些炸药样品在0.2THz～2.5THz范围内的折射率和吸收系数。利用密度泛函理论进行的理论模拟与实验结果符合较好。结果发现,单质炸药RDX具有特征吸收峰,利用THz-TDS技术可以对单质炸药进行检测和识别。

运用太赫兹时域光谱技术定量分析柴油的含硫量(英文)

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.

基于太赫兹时域光谱技术的饼干水分定量分析

目的探究太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术无损检测饼干中水分含量的可行性,为在线设备研发提供理论基础。方法选取表面平整的薄片饼干样品,利用透射模式,通过对测得的时域谱、频域谱以及菲涅尔公式计算得到的折射率和吸收谱与饼干水分含量的化学值建立线性关系及模型,进而对饼干中的水分含量进行了测定。结果吸收系数谱的偏最小二乘(PLS)模型相关系数为0.97518,预测均方根误差为0.00595,优于其他谱图的建模效果。结论该技术可以用于测定饼干中的水分含量。

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。