高分辨太赫兹衰减全反射频域光谱系统

由于水对太赫兹(THz)波具有强烈的吸收,含水样本的太赫兹光谱检测面临重大挑战。为解决太赫兹光谱对含水样本的高灵敏检测问题,本文提出并实验验证了一种太赫兹衰减全反射(ATR)的高分辨频域光谱系统。该系统采用创新式光混频相干检测技术,获得了出色的动态范围和分辨力性能,在0.3~1.2 THz范围内,峰值动态范围超过100 dB,频率分辨力高达100 MHz。创新式的ATR架构有效提升了灵敏度,在对不同浓度α-乳糖水溶液的实验测量中,实现了对水溶液样本的直接、精确定量检测。

反射式太赫兹时域光谱技术快速辨别水性和溶剂型涂料

采用反射式太赫兹时域光谱技术测试涂料的时域光谱,通过第1次反射和第2次反射的反射峰比值,得到判定涂料为水性还是溶剂型的临界阈值。该方法无需复杂的样品前处理,仅需将涂料置于测量容器中即可完成测试。一次性纸杯或聚乙烯塑料容器、不同的测试人员和测试时间对临界阈值均无影响,为生态环境监管领域提供了一种快速、准确辨别水性涂料和溶剂型涂料的方法。

基于太赫兹衰减全反射光谱的固体乳糖测试

利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了固态α-乳糖的光谱特性,首先实验以传统透射式光谱技术为基准,获得了0.53 THz,1.36 THz 2个较强的吸收峰;其次,取剂量分别为1.8 mg+2.56 mg与1.8 mg的α-乳糖,利用衰减全反射式太赫兹时域光谱系统获得吸收谱线,在0.53 THz,1.36 THz均有较强吸收峰,增加样品剂量对0.53 THz,1.36 THz处吸收强度未产生影响;最后取相同剂量的2份α-乳糖,一份过筛至75μm,另一份未过筛,利用衰减全反射式太赫兹时域光谱系统获得吸收谱线,在0.53 THz,1.36 THz均有较强吸收峰;减小样品颗粒度,在0.53 THz,1.36 THz附近吸收强度增加。

利用太赫兹反射式时域光谱系统测量有机溶剂的光学参数

采用太赫兹反射式时域光谱系统,测量了包括正己烷、液状石蜡、无水酒精和水在内的四种有机溶剂的反射式时域光谱,并根据实验模型设计了两种计算方法提取液体样品的光学参数。此外,还将反射算法得到的样品光学参数与透射算法的结果进行比较,验证了反射式系统对应算法结果的正确性,解决了透射系统无法准确测量和提取对太赫兹吸收很强的样品的光学参数的难题。

基于太赫兹光谱技术的TNT炸药检测试验研究

利用TAS7500SP光谱仪和太赫兹时域光谱技术研究了2,4,6-三硝基甲苯（TNT）在0.1~5THz频率范围的光谱性质,得到了其指纹谱信息,对获得的光谱进行优化并提取了特征峰值.实验表明,所得结果与国内外其他机构测量的该炸药的吸收谱、频域谱、时域谱线走势和吸收峰位置基本一致,并且首次测得该炸药在该频段的吸收系数、反射率、反射谱、透射比、透射光谱,丰富和补充了该炸药在太赫兹波段的光谱数据.

基于ATR的玉米种子活力太赫兹特征波段筛选方法

应用太赫兹时域光谱技术结合移动窗口相关系数法筛选与种子老化密切相关的太赫兹特征波段。选取3个不同品种的玉米种子,并制备人工老化0、1、2、3、4 d的实验样本,采用衰减全反射(Attenuated total reflection,ATR)附件采集从样本分离得到的种胚和胚乳粉末的太赫兹吸光度谱(0.2~80 cm^-1),应用移动窗口相关系数法(窗口宽度为10,阈值为0.3)筛选样本种胚和胚乳特征谱区。结果表明,不同品种样本筛选得到的老化特征谱区差异显著,说明种子老化进程受品种影响较大;在相同的老化阶段,不同品种样本的特征谱区也存在部分共同区间,且主要集中在60~80 cm^-1,说明老化进程中有些成分的变化相近;种胚和胚乳在相同老化阶段筛选的特征谱区不同,说明两者在老化进程中生理变化存在差异。本研究表明太赫兹时域光谱结合化学计量学方法可用于快速表征并探测玉米种子老化的动态变化过程。

基于THz-TDS反射成像技术的玉米种子活力无损检测研究

应用太赫兹时域光谱反射成像技术结合广义二维相关光谱法探索玉米种子活力敏感太赫兹波段,并结合支持向量机建立快速无损判别种子活力的分析模型。实验以中地77玉米种子为例,采用人工老化方式(40℃, 100%相对湿度)将种子样本分批老化0, 1, 2, 3, 4天制备不同活力的种子样本,并按照GB/T 3543.4—1995进行种子发芽实验;同时采用Terapluse 4000太赫兹时域光谱仪及反射成像附件采集上述不同老化程度种子样本的太赫兹光谱图像。由于玉米种子的胚乳和种胚的成分差异显著,为探究种子不同组织在老化过程中与活力的相关性,本实验首先采用双高斯滤波器对THz图像中的像素点光谱消噪、峰峰值差分重构图像增强以及阈值分割等预处理无损提取玉米种子不同组织太赫兹吸光度谱。然后以老化天数为扰动量,针对上述提取的样本胚乳和种胚光谱分别作广义二维相关分析,根据实验中同步谱和异步谱中自动峰与交叉峰位置初步解析,可得到与种子活力关系密切的THz波段主要集中在75和36 cm^-1区域,同时75和36 cm^-1处的光谱信息存在强烈的协同变化且变化方向一致。种子活力与老化天数密切相关,因此根据老化天数分别建立了基于胚乳和种胚吸光度谱的五分类支持向量机模型用于种子活力定性判别,但是其判别准确率仅为59.34%和71.28%,表明该模型无法精细划分种子五个活力等级;实验进一步根据GB4401.1—2008以玉米种子发芽率85%为阈值划分活力高低等级,建立二分类种子活力判别模型,可得胚乳和种胚测试集识别准确率分别可达88.61%和91.73%,模型性能显著提升,增强了THz技术用于种子活力无损粗筛的可行性。实验结果表明:太赫兹反射成像技术以其丰富的指纹谱、低能安全以及图谱合一等特性,有望成为单粒种子活力快速无损测定领域一项崭新、有力的补充技术。

太赫兹衰减全内反射油品检测系统中的棱镜设计

为了获得油品在太赫兹波段的衰减全内反射光谱,实现对油品的在线检测,利用光的折射定律,对太赫兹衰减全内反射系统中的核心部件——衰减全内反射棱镜进行了设计和实验。设计了单次反射棱镜,根据不同物质对太赫兹波的吸收程度不同,将单次反射棱镜用于太赫兹衰减全内反射系统,并进行了水和成品油的测试实验,取得了样品的光谱数据;进一步设计了多次反射棱镜,以增加油品对太赫兹的吸收,并对其进行了光学仿真。结果表明,经过单次全内反射,油品对太赫兹的吸收非常有限,无法实现对成品油的检测。该研究对下一步的油品检测是有帮助的。

基于太赫兹时域光谱技术的皮肤水分含量评估

太赫兹波以其独特的水分敏感性在生物组织的水分检测中展现出广阔的应用前景,太赫兹时域光谱(THz-TDs)技术与有效介质理论结合可以对皮肤组织的水分含量进行评估,但是对皮肤水分含量的变化进行准确定量感知仍然是尚未解决的问题,需要稳定的评估方法并分析其评估的准确性和影响因素。该文首先根据人体皮肤组织的结构和水分分布规律,定义三种皮肤水分含量梯度分布曲线,提出以反射率为优化目标的皮肤水分定量评估方法。然后采用遗传算法和列文伯格-马夸尔特(LM)相结合的混合算法对目标函数进行优化求解,使用反射式太赫兹测量系统对小手臂皮肤进行阻塞测量实验,得到时域信号和反射率的变化规律。最后讨论不同水分含量初始规律和不同有效介质模型对皮肤水分含量评估准确性的影响。结果表明,角质层水分分布规律和有效介质模型的选取对水分含量的绝对评估结果影响均很大,有效介质模型对水分含量的变化量影响较小,选择确定的水分分布规律和有效介质模型可以准确地评估皮肤水分含量的变化。该文研究可为太赫兹皮肤烧伤和皮肤疾病检测提供理论支撑。

基于高斯混合模型的液体电磁参数太赫兹测量方法

针对使用透射式测量系统难以提取太赫兹波段高吸收样品电磁参数的难题,采用反射式时域光谱系统分别测量了极性液体和非极性液体的时域光谱。通过时域有限积分算法对太赫兹波在样品中的传播特性进行建模,并使用高斯混合模型重新构建反射光谱,从噪声中恢复了原始的太赫兹时域信号,解决了反射式系统信号易受干扰导致的电磁参数发生伪波动的问题。实验结果表明,使用恢复信号计算得到的水和液体石蜡在0.4 THz~2 THz波段的折射率和消光系数,与使用原始信号计算得到的结果相比,有效地消除了波动现象,去趋势波动分析(detrended fluctuation analysis,DFA)标度指数较之原始信号计算值分别上升了7%、3%、29%、31%,验证了该方法的有效性和正确性。

火山岩的反射式太赫兹光谱成像实验研究

通过反射式太赫兹光谱成像系统获得火山岩表面的太赫兹时域光谱.提取火山岩不同位置扫描点的太赫兹时域光谱峰值,并与扫描点的位置坐标进行一一对应,得到反射式光谱投影图像.实验结果表明:在火山岩的孔隙处太赫兹波发生散射及衍射效应,孔隙处比其他处有更多损耗,太赫兹反射波的强度相差较为明显,因此可以利用反射式太赫兹光谱成像技术表征火山岩的孔隙形状和分布.

基于太赫兹反射谱提取光学参数不确定度分析

利用太赫兹光谱技术计算物质的光学参数已成为各领域的研究重点。由于太赫兹系统以及算法提取过程依然存在缺陷,无法实现对物质光学参数的精确测量。为提高光学参数的测量准确度,对反射式太赫兹时域光谱系统进行全面的不确定度分析。首先分析了基于太赫兹反射时域光谱提取光学参数、折射率和消光系数的7种误差来源,并分别建立了折射率和消光系数的不确定度模型;然后,以葡萄糖多晶薄片样品为例,计算其在0.2~2.0 THz频段的折射率和消光系数的各种误差因素占综合不确定度的比例,总结误差因素对不确定度的贡献。其中,样品厚度测量的随机误差对折射率的影响最大,占总误差的80%;传递函数误差对消光系数的影响最大,占总误差的99%。最后,对减小折射率和消光系数的不确定度提出了建议,如采用自参考方法提取光学参数,采用智能优化算法对样品厚度和光学参数进行优化,修正Fabry-Perot效应等。

Kramers-Kronig关系中外延函数指数因子确定

在基于Kramers-Kronig(K-K)关系求解太赫兹(THz)频段介质的折射率和吸收系数时,针对反射率高频端外延指数函数的指数因子的确定问题,提出采用时域有限差分(FDTD)算法模拟优化指数因子的方法,从而保证提取介质折射率和吸收系数的精确性.该方法根据FDTD算法模拟与实测样品时域信号的最小二乘差来确定指数因子,当最小二乘差取极小值时所对应的指数因子即为最优解.葡萄糖多晶粉末压片的实验表明,采用本文所提出的利用FDTD算法模拟优化确定的指数因子为0.495,当用K-K关系求解折射率和吸收系数时得到的结果更加精确.

多层介质中隐含层的太赫兹无损检测

在工业应用中,大多数情况下的复合结构介质仅有一面可以被检测,因此需要研究反射模式下检测介质内部参数的太赫兹无损检测方法.推导了反射模式下太赫兹波在三层结构介质中的传输模型,通过遗传算法共同反演估计得到中间分层的厚度,以及它的折射率,从而获得中间隐藏层的具体信息.制备了具有200μm的隐藏分层的三层结构样品,利用太赫兹时域光谱系统对其进行了测量,将理论模型与实测数据进行对比,利用遗传算法估计得到隐藏层的厚度和折射率,将厚度估计值与测厚仪测量结果对比,误差保持在4%以内,折射率估计值与实际值相比,误差范围波动较大,平均误差为6%左右,最后对误差来源进行了分析,为多层复合材料内部缺陷、中间层材料的介电参数估计提供了理论和实验依据.研究表明该系统作为一种无损评价方法可以广泛应用于层状结构的可靠性评价.

ATR-THz波谱结合PLS-DA对陈化小麦快速无损鉴别研究

采用ATP附件采集了人工控制条件老化小麦样品的太赫兹波谱数据,并在PCA综合得分基础上对数据进行分集,建立陈化小麦的快速无损鉴别PLS-DA模型,并对其进行外部验证。结果显示,针对吸收系数谱,所建模型的校正集实验组、对照组以及交互验证实验组、对照组正确率分别为84.2%,94.7%,84.2%和81.6%,外部验证集实验组、对照组正确率分别为73.7%和100.0%;针对折射率谱,所建模型的校正集实验组、对照组以及交互验证实验组、对照组正确率分别为84.2%,92%,76.3%和76.3%,外部验证集实验组、对照组正确率分别为84.2%和89.5%。研究表明,ATR-THz技术在陈化小麦无损鉴别方面具有一定的应用潜力。

花岗岩的反射式太赫兹光谱特性

利用反射式太赫兹时域光谱技术测量了花岗岩的时域谱,通过提取时域谱极值得到了花岗岩的反射式光谱成像图。结果表明,花岗岩中不同测试点的成分不同,反射式太赫兹光谱也不同,该结果可以与扫描电子显微镜的微观形貌及成分分析的结果相互印证。因此,利用反射式太赫兹光谱技术可直接鉴别花岗岩中的矿物成分及其分布。该方法为花岗岩的岩性识别提供了快速的表征方法与技术支持。

用于超导太赫兹探测器的低温标准黑体辐射源

针对太赫兹超导探测器的测试需求,开发了可用于低温环境的太赫兹标准黑体辐射源.采用太赫兹时域光谱系统,提取了伯克利黑体材料的介电常数,并测试了它的反射系数.另外,设计了圆锥形结构的黑体辐射源,仿真结果表明它具有较低的反射率.在此基础上,制备了装载于稀释制冷机中的黑体辐射源,通过控制温度实现对黑体源辐射功率的调谐.这一黑体辐射源能够满足太赫兹超导探测器的定标需求,并将有助于高灵敏太赫兹辐射计的开发和应用.

基于反射式太赫兹时域谱的水太赫兹光学参数测量与误差分析

利用垂直反射式太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术测量了水的THz光学参数并对测量误差进行了分析。测量过程中,把高阻Si片的空气-Si表面作为参考信号,Si-水表面最为样品信号,通过两者之比的传输函数计算得到了水的THz折射率和吸收率,然后应用误差传播理论分析这些光学参数的误差。结果发现,折射率和吸收率误差中,由多次测量引入的随机误差在0.1-1.1THz范围内基本不变,而在接近0.1THz和1.1THz处误差变大,即呈现U型分布。这表明,在接近0.1THz和1.1THz时,THz-TDS仪器的测量灵敏度下降;由高阻Si片厚度和Si折射率误差引入的误差比THz-TDS多次测量引入的随机误差大得多,在0.1-1.1THz范围对应的水折射率误差分布较均匀,而对应水的吸收率误差随着频率的增加而增大。本文的方法同样适用于类似的垂直反射式THz-TDS系统提取其它材料的THz光学参数及其误差分析。

基于THz-TDS的聚乙烯管道接头老化及缺陷检测实验分析

基于太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对聚乙烯管道接头的老化及常见缺陷进行检测,获得不同老化程度的聚乙烯样品的折射率与吸收系数,并对管道接头的典型缺陷进行成像检测。实验结果表明:随着老化时间延长,聚乙烯样品在0.2~2.0THz频段内的折射率未发生明显变化,该频段内材料的吸收系数随着老化时间的延长而明显下降。太赫兹图像中缺陷区域与无缺陷区域的像素点存在明显区别,从图像中可以分辨出缺陷的位置及大致轮廓。

基于双层格栅的超材料太赫兹宽频反射器

提出一种基于超材料的由上下层格栅金属和中间层聚酰亚胺薄膜组成的太赫兹宽频反射器,可解决现有反射器遇到的反射率与反射带宽无法同时最优的问题。利用时域有限差分法对该反射器的反射性能进行研究和分析,通过优化金属层数、中间层聚酰亚胺薄膜厚度、格栅周期长度及格栅宽度等,确定了可以同时提高反射带宽和反射率的特征尺寸。结果表明:这种反射器在太赫兹频段具有优异的反射性能和较大的反射带宽,在0~4.0 THz工作频段内,其反射率在0.98以上的频段宽度可达2.04 THz。所提结构为太赫兹宽频通信技术的发展提供了一种高性能反射器件的设计方案。