基于连续波太赫兹频域光谱系统的样品折射率测定方法

经过二十年的发展,太赫兹光谱技术已经在生物医疗、工业质检、国防安全、新材料研发等多个领域证明了其强大的应用潜力,然而传统太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对飞秒激光器的依赖,严重限制了太赫兹技术在实际工业领域中的应用,近年来,以商业成熟的中红外激光混频作为产生与探测机制的太赫兹频域光谱技术(THz-FDS),凭借其高集成度、低成本以及高分辨率等适用于实际应用的特点得到了广泛的研究关注。但是,作为新型光谱技术,THz-FDS的数据处理算法与传统THz-TDS相比仍处于起步阶段,此前所开展的物质表征研究大多局限于信号幅值的利用,而其相干探测机制所蕴含的太赫兹波相位信息并未得到充分挖掘,与相位信息紧密相关的样品折射率、介电常数、极化率等关键参数因此无法准确获取。从THz-FDS的相干探测原理出发,结合实测数据,详细阐述了太赫兹波相位信息与THz-FDS原始光电流数据周期振荡之间的联系,建立了由原始光电流数据振荡周期求取样品折射率的理论模型。在此基础上,指出了传统零频基点求取折射率方法在低频段表现欠佳的原因,提出了所改进的双基点折射率求取算法。为了验证所提出的折射率测定方法的可靠性,选取了在太赫兹波段应用广泛的聚合物聚四氟乙烯作为表征对象,制备了厚度不同的多个样片,对所有样品测定折射率的结果为1.456±0.006,不同样片间折射率的测量不确定度仅为0.5%,且平均值与前期报道值吻合,充分验证了该方法复现性。此外,选取其中一枚样片考察了实验参数设置变化对折射率测定结果的影响,使用THz-FDS多种积分时间和采样步长的设置组合采集原始光电流数据,结果显示实验参数设置对折射率测定结果没有显著影响,验证了算法的鲁棒性。提出的折射率测定方法丰富了太赫兹频域光谱系统的表征参数,结合频域光谱系统相比传统时域光谱系统在工业应用方面的优势,该方法对太赫兹光谱技术的实际应用发展具有重要意义。

非金属涂层缺陷的太赫兹时域谱检测

涂层内部缺陷易导致其剥离、脱落,严重影响工作性能。太赫兹时域光谱技术具有穿透性强、时间分辨能力高和辐射能量低等特点,可以作为一种新型的无损检测技术。涂层的气泡缺陷在太赫兹时域谱上会表现出明显特征,据此建立了太赫兹透射传播模型,并以常见的环氧树脂胶涂层作为样品,对气泡缺陷进行了太赫兹时域光谱分析。结果表明,利用该模型不仅可以定性地对涂层内有无气泡剥离层进行区分,还可以定量地对气泡厚度、大小进行估算。最终可用于检测截面直径在3.5~8 mm,厚度大于0.6 mm的气泡缺陷。这为非金属涂层起泡、开裂的检测提供了新的思路。

聚合物载体中水杨酸晶体的太赫兹极化率测定

极化率作为材料的重要微观属性,与其呈现出的多种宏观属性等紧密相关,在新型药物及功能材料的设计中扮演着关键角色。对于微观结构存在复杂分子间作用的物质体系,获取其太赫兹波段的动态极化率具有重要意义。极化率的实验测定建立在其本征介电常数的准确测定之上,太赫兹时域光谱系统凭借其相干探测属性,可直接提供太赫兹波在穿透样品后的相位变化信息,用于精确测定样品的介电常数。当样品由待测物纯物质组成时,实验测得的介电常数可直接用于计算极化率。但对于大多数的有机晶体,其自身对太赫兹波的特征吸收以及与颗粒尺寸与波长相当造成的散射,使其纯样品的太赫兹时域光谱表征受到系统信噪比的限制,通常需要将待测物均匀分布于对太赫兹波透明且可塑性极强的聚合物载体中。聚合物载体的使用导致实验直接测定的混合物介电常数中也包含了聚合物的介电影响,无法直接用于计算待测物质的极化率。针对这一问题,将嵌于聚合物载体中的有机晶体整体等效为聚合物、空气气隙和待测样品三组份混合介质模型,结合各组份体积占比以Landau,Lifshitz and Looyenga有效介质模型从实验测得的混合物介电常数中移除聚合物和空气气隙的影响,获取待测物的太赫兹本征介电常数,从而进一步结合Clausius-Mossotti关系式计算其太赫兹极化率。选取水杨酸晶体为研究对象,利用所提出的理论方案,从聚乙烯和聚四氟乙烯两种聚合物载体三种浓度混合物的原始介电常数中,提取出了具有高度一致性的本征介电常数和太赫兹极化率,验证了方法的有效性,并利用实验结果首次报道了水杨酸晶体的太赫兹极化率,在聚乙烯和聚四氟乙烯载体中的测定值分别为(17.2±0.2)和(17.6±1.0)3。