反射式太赫兹返波振荡器成像系统及其应用

实现了基于返波管源的太赫兹波反射式成像系统.这是一种新型的无损探伤成像方式.从样品表面或者基底反射回来的太赫兹波被焦热电探测器收集,最后经过计算机处理成像.频率为0.7THz的成像系统被用来对一系列样品进行无损检测,如硬币、徽章、模型飞机以及预埋了人工缺陷的工业样品.结果表明,很多工业材料相对于太赫兹波都是透明的,尤其是一些在航空航天技术中具有广泛应用价值的吸收微波的材料.

亮氨酸与异亮氨酸太赫兹光谱的振动模式分析

氨基酸是含有碱性氨基和酸性羧基的有机化合物,是构成蛋白质的基本单位,其种类,数量和排列直接影响蛋白质的生物功能,对维持机体功能有重要意义。氨基酸分子间振动模式(扭转,氢键和集体振动)大部分处于太赫兹(THz)波段,表现出独特的吸收特征,因此,对氨基酸进行THz光谱研究,能够更全面了解生物特性。总结前人实测的亮氨酸与异亮氨酸位于0.2~2.6 THz波段的吸收谱,同时,利用量子化学计算方法解释其形成机理。使用Gaussian09软件对单分子构型模拟计算,模拟方法为半经验法(PM6),从头计算法(HF,MP2)和密度泛函理论(B3LYP,M06-2X)结合6-311+G(d,p)高斯型基组;使用Materials Studio 2019软件对晶胞构型模拟计算,模拟方法为广义梯度近似的PBE,PBEsol,RPBE和WC等四种密度泛函结合平面波基组。结果表明:单分子构型模拟均缺少吸收峰位,不同方法对同一振动模式的峰位计算不同,因此,对分子间相互作用较强的结构,进行单一方法的该构型模拟,很大程度不能正确匹配振动模式,且受原子轨道线性组合方法影响,与输入结构相比,输出结构由COO^(-)和NH_(3)^(+)基团变为COOH和NH_(2),无法体现实际振动模式;晶胞构型模拟对分子内和分子间振动模式描述,吸收峰位与实测值匹配较好,不存在质子转移情况,较好指认实测峰位的振动模式。亮氨酸与异亮氨酸使用PBEsol泛函计算结果最接近实测值,说明模拟计算需充分考虑结构与泛函的匹配性,即对结构交换关联能的描述,也说明同一泛函对异构体的普适性,此外,不能以结构优化后差异作为判断泛函是否适用的标准。晶胞构型计算结果包含分子间振动模式,是单分子构型无法得到的结果,且数据进行半峰全宽拟合,导致两种构型结果在某一实测峰位处的振动模式存在差异。

基于BWO连续太赫兹波成像系统的无损检测

介绍了一种基于返波管(BWO)的太赫兹波成像系统。BWO连续太赫兹波成像是一种新的无损检测方法。实验过程中把样品放在X-Z二维电控平移台上进行扫描成像,透过样品的太赫兹波强度信息由热释电探测器接收,然后经过电脑成像。给出了应用0.71 THz的连续太赫兹波对打孔铝板、公交卡、校园卡的内部结构和对隐藏在信封内硬币等物体和信封内纸片上的铅字迹的成像实验研究事例,并且测知该系统能够分辨出直径最小为1.5 mm的小孔。这项工作揭示了使用BWO连续太赫兹波成像系统在无损检测和安全检查领域是有效的。

基于经验小波系数模态分解的太赫兹成像纵向分辨增强

为了提高太赫兹成像探测的纵向分辨率,提出了一种基于连续小波的经验模态分解的纵向分辨率增强新方法。首先先对样品的频域信号进行连续小波变换处理,获得其相对应的连续小波变换系数;然后对获得的连续小波系数进行经验模态分解,将其自适应地分解为一系列的本征模式函数和一个残差信号,并提取其中第一阶本征模式函数为成像参数进行三维重构,获得最终的三维本征模函数图像,以此来提高太赫兹检测图像的纵向分辨率。为验证方法的有效性,采用150~220 GHz高频太赫兹调频雷达成像系统分别对两种含内部脱胶缺陷的夹层结构复合材料进行成像检测并利用提出的方法进行处理,得到了纵向分辨率被有效增强,清晰度被有效提高的检测结果图像,这为未来的太赫兹计算机断层扫描成像和太赫兹无损检测应用研究提供了新的思路。

丙氨酸晶体太赫兹振动光谱的实验和理论研究

利用太赫兹时域光谱和低频拉曼光谱仪研究了丙氨酸晶体在0.2-2.6THz范围内的太赫兹吸收和拉曼散射光谱.研究表明:在该低频范围有四个振动模式,其中两个只具有拉曼活性,其余两个同时具有红外和拉曼活性.基于B3LYP杂化密度泛函的自洽场晶体轨道法对丙氨酸周期性结构进行了理论研究和光谱计算.通过比较实验和理论结果,指认了实验光谱特征峰所属的不可约表示.通过理论计算得到的图形,得出在此低频范围的振动模式主要包含分子间氢键的扭转和摇摆运动.

不同物理形态阿奇霉素的远红外与太赫兹光谱鉴别研究

运用THz-TDS技术和Far-FTIR技术在干燥氮气和真空环境下分别测量了阿奇霉素干混悬剂、胶囊、片剂、分散片等不同物理形态的药品在0.2~5.0THz波段的光谱。其中,阿奇霉素干混悬剂在0.2~15.0THz波段内存在较为明显的吸收峰,且对比国产和进口产品的特征峰可以发现,国产药品在几个主峰上都表现出谱线增宽,且有部分多余小峰出现,可能是由于结晶度不纯和杂质引起的。而国产阿奇霉素胶囊、片剂、分散片则由于填充辅料、样品颗粒较大、样品含量少等原因致使吸收基线随频率增高而上扬,上述特征峰在0.2~2.7THz波段发生不同程度的变弱和频移。同时,对不同浓度进口阿奇酶素干混悬剂与聚乙烯的混合物作了分析,根据浓度与吸收强度呈现的线性正相关关系,可以较为准确地分析出有效成分的浓度,从而实现对阿奇霉素类混合体系药品的质量检测和评估。

爆炸物及相关混合材料的太赫兹波谱

对单质环三亚甲基三硝胺(RDX)、环四亚甲基四硝基胺(HMX)、钝感RDX炸药以及多种以单质炸药为主体成分的混合炸药进行了太赫兹谱的试验测量和理论分析。利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS),给出了炸药样品在0.2～2.5THz范围内的折射率和吸收系数。结果发现,单质炸药RDX、钝感RDX与六种以RDX为主要成分的混合炸药具有相同的特征吸收峰;单质炸药HMX与混合炸药8702具有相同的特征吸收峰。试验结果表明,利用THz-TDS技术可以对单质炸药以及以其为主体成分的混合炸药进行检测和鉴别。

太赫兹时间分辨系统研究有机卤化物钙钛矿薄膜的超快太赫兹调制（英文）

研究了利用太赫兹时间分辨系统研究有机卤化物钙钛矿薄膜(CH_3NH_3PbI_3 and CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x)的皮秒尺度的超快太赫兹调制特性.在光激发作用下出现了太赫兹透射波的瞬时下降.相比于CH_3NH_3PbI_3薄膜,在光激发作用下CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜展现了更高的调制深度(10%).通过测算材料的电导率及载流子浓度,其调制机理为瞬态光激发载流子浓度上升.实验结果表明,CH_3NH_3PbI_(3-x)Cl_x薄膜可作为一种高效超快太赫兹调制器件.

太赫兹时域光谱无损检测核桃品质的研究

以核桃为研究对象,探讨太赫兹时域光谱技术对其变质情况、壳厚测量的研究。首先对虫蛀、霉变、正常核桃壳、仁标样采集太赫兹时域光谱,比较分析变质与正常核桃谱图及吸收谱差异,为剔除变质核桃打下基础。其次联用透射和反射式太赫兹时域光谱系统,创建核桃壳计算公式,在获取核桃壳理论折射率基础上,换算得到未知核桃壳厚,相对误差为3.7%。分别从物理、化学指标光谱响应特征差异入手,实现太赫兹无损检测核桃品质。

甲硝唑、替硝唑和奥硝唑药品的远红外与太赫兹吸收光谱研究

甲硝唑、替硝唑和奥硝唑为5′-硝基咪唑类化合物,常用于抗厌氧菌和抗滴虫治疗。运用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术在室温环境中测量了三种药品在0.9～19.5THz波段的光谱特性,得到其指纹谱。另外,通过探测替硝唑参照品和不同厂家、不同批次替硝唑药片在太赫兹波段的光谱信息,结合相关系数法、阵列相关系数法等信息处理技术对光谱信号进行数据挖掘;最终建立了一种能够快速、有效、系统地鉴定替硝唑片活性成分和稳定性的分析方法。研究结果为此类药品生产和销售质量的规范化和现代化提供了可视化途径。

食品添加剂特丁基对苯二酚的太赫兹光谱及其检测分析

太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术对物质进行无损检测是太赫兹应用领域的一个研究热点。针对近日报道检查出部分麦当劳的＂麦乐鸡＂添加剂中含有的一种化学成分——特丁基对苯二酚（TBHQ）含量超标,应用太赫兹无损检测技术对其作定性识别。测得该种化学成分在0.2~2.2 THz的吸收谱和折射率曲线,并将其以不同比例与面粉均匀混合,测得混和物和面粉在0.2-2.2 THz的吸收谱。同时对TBHQ进行理论模拟作为对比。结果表明,通过太赫兹波段吸收曲线的特征差异检测TBHQ是可行的,为无损食品添加剂的检测提供一种新型的方法。

采用脉冲红外成像法的表面下暗藏物蓄热系数的测量

近年来,脉冲红外成像无损评估方法已成功应用于航空航天、汽车制造、新材料等领域。但是对于很多应用,仅发现材料中存在缺陷是不够的,还需要对表面下缺陷热特性进行识别。实验设计制作了一个不锈钢平底孔试件,为了模拟表面下不同性质的暗藏物,在平底孔内分别埋入水、油、石蜡及空气。在试件表面施加均匀脉冲面热源后,试件表面及表面下暗藏物的热物理特性将影响热波的传导。提出了一种使用脉冲红外成像技术测量均匀固体材料下暗藏物质蓄热系数的实验方法。描述并分析了基于两层结构的一维热传导模型和界面热反射系数的计算方法,设计并进行了验证实验,通过对实验获得的材料表面温度变化的热图序列进行处理和分析,计算得到试件中不同暗藏物质的蓄热系数。

烟酸和烟酰胺及烟碱的太赫兹光谱研究

研究了室温条件下结构相似的烟酸和烟酰胺以及烟碱的太赫兹光谱。测量了它们的时间分辨光谱,通过傅里叶变换获得了它们的频谱,从而得到了频谱响应和折射率色散关系。实验结果表明,烟碱在太赫兹波段无明显的特征频谱响应,而烟酸和烟酰胺在太赫兹波段存在明显的特征频谱响应。用密度泛函理论(DFT)计算了烟酸和烟酰胺的太赫兹频谱,对它们的吸收峰产生的原因做了初步分析,认为烟酸吸收峰的产生是由于分子内部的扭转和摇摆所造成的,而烟酰胺的吸收峰(除1.93 THz以外)是由于分子间的相互作用和光声子模式而造成的。结果表明,数值模拟和实验结果相结合,可以用来分析烟酸和烟酰胺的分子结构和分子振动模式。

丁基羟基茴香醚的太赫兹时域光谱检测与分析

利用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术对食品添加剂丁基羟基茴香醚（BHA）及其与聚乙烯不同配比的混合物进行了检测，获得了其在0．2-2．6THz波段的吸收谱和折射率谱。实验结果表明：此波段内该样品有3个明显的吸收峰，分别位于0．64、1．14、1．81THz，该指纹谱可用于THz波段该物质的检测与识别。对BHA混合物的太赫兹光谱进行了最小二乘法分析，结果表明太赫兹吸收系数与BHA质量分数的相关系数大于0．98。用密度泛函理论对单分子丁基羟基茴香醚进行了数值计算，表明太赫兹吸收峰与分子构型和分子内部运动有关。

木糖醇和D-木糖的太赫兹光谱检测与分析

甜味剂是一种非常重要的食品添加剂,在食品工业中的应用十分广泛,甜味剂的鉴别和检测是一个非常重要的研究课题。太赫兹电磁辐射具有许多独特的性质,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术已发展成为一种重要的无损检测方法。文章利用太赫兹时域光谱技术,对木糖醇和D-木糖进行了光谱测量,结果表明在0.3～2.6THz波段内,木糖醇在1.62,1.87和2.51THz三个频率位置处出现吸收峰,而D-木糖的吸收峰位于1.67,1.96和2.46THz。应用密度泛函理论,对两种样品的单分子结构进行几何优化和频率计算,并据此对实验测量的吸收峰进行了指认,说明部分吸收峰源于单分子的振动模式,另一部分源于分子间相互作用的振动模式。

磺苄西林、舒他西林、美洛西林、替卡西林的太赫兹指纹谱

以一类常用的抗生素-青霉素类抗生素作为研究对象,选取4种具有代表性的药品磺苄西林、舒他西林、美洛西林、替卡西林,基于太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术,进行实验研究。通过光谱实验及理论分析,获取药品的太赫兹时域光谱,结合傅里叶变换,获得频域光谱及太赫兹吸收系数曲线。结果表明,4种药品在0.40～1.60 THz波段存在明显不同的吸收特征。因此,太赫兹光谱技术十分适合检测抗生素这种化学结构有微小不同的药品,并且可以清晰通过吸收峰的位置分辨出抗生素药类的种类。为国家食品药品监督管理提供一种新的可靠的检测技术,且可以以数据库的形式为药品的鉴定提供标准。

太赫兹技术对头孢菌素类抗生素的研究

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对物质进行识别和定量分析是太赫兹应用领域的一个研究热点。文章报道了14种头孢类抗生素纯品在0.2～2.6THz波段的共振吸收谱和折射率谱,其中8种特征吸收峰明显。没有明显特征吸收峰的抗生素样品在该波段的折射率谱也有较为明显差异。这些结果是利用太赫兹时域光谱技术鉴别抗生素品种的依据。利用纯品太赫兹吸收谱,对两个不同厂家生产的头孢克肟药品进行了主成分定量评估,分别得到了头孢克肟在药品中的含量,它们与药品包装上标定含量的相对误差分别为9.38%和0.92%。证明了太赫兹技术在药品检测中的可靠性和良好的应用前景。

小波变换在太赫兹时域光谱分析中的应用

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。利用太赫兹时域光谱技术在空气环境下测量样品时,样品的太赫兹光谱会因空气中水蒸气的影响而出现振荡现象。文章利用太赫兹时域光谱分析技术分别在氮气和空气环境下测量了七种样品在0.2～1.9太赫兹波段的光谱,并以氮气环境下的太赫兹光谱为参考,利用小波变换对空气环境下测量的数据进行了处理,消除了太赫兹光谱中水蒸气吸收造成的影响,实验结果证明了该方法的可行性,在此基础上,还对其中四种样品做了成像和识别,并得到了较好的结果。

青蒿素及其衍生物太赫兹指纹谱的测试与认定

青蒿素及其衍生物(双氢青蒿素,蒿甲醚,青蒿琥脂)是一种具有过氧桥化学结构的倍半萜内酯类化合物,对治疗疟疾有特殊疗效,且具有高效、低毒、成本低、安全等药理特性,使其成为现如今最为广泛应用的一种抗疟药。但是截止目前相关的太赫兹指纹谱数据还存在争议,为该类药物的太赫兹快速、无损鉴定带来困扰。为了进一步完善青蒿素及其衍生物的太赫兹指纹谱数据,利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术重新测量了青蒿素、双氢青蒿素、青蒿琥酯、蒿甲醚等四种青蒿素类药物在太赫兹波段的吸收特性,分别得到它们在0.2~2.7THz波段的吸收光谱。并对实验结果与现有的指纹谱数据进行了对比分析。结果显示,绝大部分的共振峰与文献[3]中的一致,但峰位和强度略有差异,并且有新的峰位出现。然后,讨论了样品制备和数据处理方法对数据结果的影响,以及分子结构与峰位的关系。并基于此进一步确认了数据的有效性。为进一步研究青蒿素及其衍生物的药性提供参考,并对其无损鉴别、定量定性分析提供了一种快速、有效的检测方法。

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。