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。

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。

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.

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。

基于太赫兹光谱的天冬氨酸结构分析及鉴定

太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）是一种新的远红外波段光谱测量技术，对化合物结构上的微小差异变化十分敏感，因此成为物质分析与检测的新型方法。文章基于太赫兹时域光谱技术的测定方法，在氮气环境中考察不同来源天冬氨酸在太赫兹波段的吸收特性，并结合差示扫描量热仪（DSC）和傅立叶变换红外光谱仪（FITR）进一步验证THz测定结果的有效性。实验结果表明，用太赫兹时域光谱技术可以清楚地分辨出不同结构天冬氨酸的差异，方法简单，快速，准确。

二硝基苯甲酸同分异构体的太赫兹与红外光谱特性（英文）

利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分别研究了2,4-,2,5-,3,4-,3,5-二硝基苯甲酸的吸收谱.实验结果表明,4种同分异构体的吸收光谱在红外波段(1 400~1 800 cm-1)表现出相似性,而在太赫兹波段(0.3~2.2 THz)却存在非常明显的区别.利用密度泛函理论(DFT)对4种物质的吸收频谱进行计算,并根据计算结果对吸收光谱的相似性和差异性进行解释.太赫兹时域光谱技术为鉴别物质的同分异构体提供了一种可行的手段.

InGaAs/InAlAs光电导太赫兹发射天线的制备与表征

光电导天线作为太赫兹时域光谱仪产生与探测太赫兹辐射的关键部件,具有重要的科研与工业价值。本文采用分子束外延(MBE)方法制备InGaAs/InAlAs超晶格作为1550 nm光电导天线的光吸收材料,使用原子力显微镜、光致发光、高分辨X射线衍射等方式验证了材料的高生长质量;通过优化制备条件得到了侧面平整的台面结构光电导天线。制备的光电导太赫兹发射天线在太赫兹时域光谱系统中实现了4.5 THz的频谱宽度,动态范围为45 dB。

多组件太赫兹时域波谱仪及其应用研究

针对固体、液体不同形态易燃易爆危险物品准确识别的要求,设计并搭建了多组件太赫兹时域波谱仪。用该波谱仪检测了两种不同形态的易燃易爆危险品。测试结果表明,该波谱仪在0.1~2 THz频谱范围内检测危险品时都能得到明显的特征吸收峰,因此可以使用该波谱仪识别不同形态的危险品,并为公共安全检查提供一种新的方法。

碲-熔剂方法生长ZnTe单晶的太赫兹辐射及探测(英文)

通过Te熔剂方法生长出<110>晶向的ZnTe单晶,利用X射线衍射(XRD)及拉曼光谱对该材料进行了测试.详细研究了太赫兹时域光谱系统中该ZnTe单晶作为激发和探测晶体的辐射和探测特性.结果表明在钛-宝石激光器的泵浦下,Te熔剂方法生长的<110>晶向的ZnTe晶体表现出良好的THz辐射性能,室温下激发频谱可达3THz以上.

一种基于超材料的常温太赫兹探测器

基于超材料结构设计、制造并表征了一款工作在2.5THz频率下的常温太赫兹探测器,该探测器上电场耦合电感电容（ELC）结构的超材料谐振子阵列吸收太赫兹辐射后,将电磁能转换为热能,温度升高后引起超材料谐振子结构中铂金属环的电阻变化,通过检测阻值变化实现对太赫兹波的电学读取探测。将该探测器集成到通过MEMS工艺制作的微悬臂梁绝热结构上,实现了较好的隔热效果,从而提高了探测器的响应率。通过太赫兹时域光谱仪（THzTDS）测试该探测器的透射谱,验证了该探测器的吸收峰为2.5THz,达到了设计要求。进一步测试结果显示,该探测器在2.5THz工作频率下的响应率达到2.149×10^5Ω/W,滚降频率达到10Hz。

太赫兹技术对二甲基苯甲酸六种同分异构体的识别

选取了在化工、医药生产中常见的中间体——二甲基苯甲酸作为研究对象,利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统研究了室温条件下,二甲基苯甲酸的六种同分异构体在太赫兹波段的吸收光谱。实验结果表明,在0.2~2.2THz波段范围内,六种物质的特征频谱响应有非常明显的区别,而红外光谱仪的测量结果则显示,在1 450~1 700cm-1波段范围内不同的异构体表现出相似的吸收特征。利用密度泛函理论（DFT）对六种物质的吸收频谱进行计算,并对它们的吸收峰产生的原因进行分析,可知在1 450~1 700cm-1范围内六种物质的吸收峰均是由苯环的骨架伸缩振动和羧基上CO的伸缩振动引起的,而在0.2~2.2THz波段,由于六种物质分子中整个苯环与相对位置不同的三个支链之间存在面外相对摆动,造成了集体振动模式的差异,从而表现出不同的吸收特征。通过分析发现,六种样品在两个频率范围分别表现出的差异和相似的吸收特征,源于其分子结构间的差异性和相似性,而利用太赫兹波段吸收特征的差异,可以实现对二甲基苯甲酸六种同分异构体的鉴别。上述研究结果表明,利用太赫兹和红外光谱技术研究同分异构体光谱特性的差异性和相似性是可行的,也为快速鉴别二甲基苯甲酸异构体种类和检测该化工中间体的纯度提供了一条有效的途径。

金属平板的太赫兹雷达散射截面测量

为了测量金属平板的雷达散射截面,分别采用了太赫兹时域光谱系统和0.1THz连续波测量系统两种方法进行测量,并从理论上分析了雷达散射截面测量模型。结果表明,对于太赫兹时域光谱系统,随着测量频率和角度的增加,其误差在增大;对于0.1THz连续波测量系统,随着角度的增加,误差增大,随着被测目标尺寸增大,误差先减小后增大,实验最小误差均可达到-0.244d B。利用太赫时域光谱系统及0.1THz连续波测量系统测量雷达散射截面均是可行的。太赫兹时域光谱系统具有频率取值范围大、角分辨率高的特点;而0.1THz连续系统系统结构简单、成像速度快、使用方便。

玻璃衬底二氧化钒薄膜的宽频带太赫兹波调制特性

针对二氧化钒（VO2）薄膜在可调谐太赫兹功能器件中的应用,采用磁控溅射法在K9玻璃衬底上制备了VO2薄膜,并用X射线衍射（XRD）对薄膜的晶相进行表征.利用配备加热装置的太赫兹时域光谱系统（THz-TDS）研究了薄膜样品在变温过程中的THz反射、透射光谱特性及其变化规律.实验结果表明,随着加热温度的升高,VO2薄膜发生半导体-金属相变并对宽频段THz波产生显著的调制作用.调制深度明显依赖于THz频率,薄膜样品对THz波反射功率、透射率的幅度调制深度在0.3-0.5THz范围波动较大;对THz波的透射率在低频处较大,高频处较小,调制深度在35%-65%之间变化.该薄膜制备简单,质量高,可应用于太赫兹开关和调制器等功能器件.

太赫兹计量研究进展

太赫兹技术的独特性和优越性吸引着众多科学研究者的关注,在生物医药、信息科学、公共安全、量子研究和太空探测等领域具有巨大应用潜力。这些应用的有效性和可信度都需要以太赫兹相关参数的量值溯源为前提。文章以太赫兹光谱、频率、功率和强度等参数为对象,介绍了太赫兹计量研究的最新进展,分析了各种计量技术的特点,以期促进太赫兹计量技术发展,保障太赫兹研究和应用的量值可靠。

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。

太赫兹时域光谱仪中飞秒光纤激光器的研制

飞秒光纤激光器作为产生宽带太赫兹波的激励光源,是太赫兹时域光谱检测系统的核心部件,其性能指标直接影响着太赫兹光谱检测系统的性能。针对时域太赫兹光谱应用需求,研制出基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)和非线性偏振旋转(NPE)复合锁模技术的飞秒光纤激光器,并采用腔内色散管理技术,在保证脉冲宽度小于100fs条件下实现0.5～5m的保偏光纤输出。该激光器已应用于湖北久之洋红外系统股份有限公司生产的mini-T系列便携式太赫兹光谱仪产品中,实现光谱宽度覆盖0.1～7THz,频谱分辨力9GHz,动态范围优于70dB。

Differentiation of illicit drugs with THz time-domain spectroscopy

The terahertz time-domain spectroscopy(THz-TDS) was used for sensing and identifying illicit drugs.The absorption spectra of seven illicit drug samples(morphine and its hydrochloride,cocaine hydrochloride,codeine phosphate,papaverine hydrochloride,pethidine hydrochloride,and thebaine) were studied by THz-TDS at 0.3-2.0 THz at room temperature.The geometric structure and vibration frequencies of morphine were calculated by density functional theory.The four absorption features were dominated by intra-/inter-molecular collective or lattice vibration modes.Each illicit drug has a distinct signature in its THz spectra.The results indicate that the THz-TDS can be used to identify and discriminate illicit drugs by their characteristic fingerprints.