太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术是最新的太赫兹技术,它基于宽波段太赫兹脉冲,可同时获得太赫兹波形的幅度和相位信息,在材料的远红外物性研究中有重要应用。本文涉及太赫兹时域光谱技术的基本特征、发射、探测技术和主要应用。     

基于太赫兹技术的复合材料无损检测研究综述

随着高性能复合材料在航空航天和军事等高新领域的广泛应用,对其质量和性能检查的要求愈加引起重视,如何通过各种方法对复合材料进行无损检测成为近年来研究人员关注的热点和研究方向。太赫兹波量子能量低,对大多数非极性物质透明,因此使用太赫兹技术对复合材料进行无损检测有着独特的应用优势。本文基于太赫兹技术的特点,对太赫兹时域光谱和太赫兹成像技术的无损检测分别进行了详细的论述,并总结了目前复合材料的太赫兹无损检测技术发展趋势,最后对其发展前景进行了展望。     

氧化铝晶体的太赫兹光谱特性研究

利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术研究了氧化铝(Al2O3)在宽带太赫兹波范围(0.2～3.0 THz)内的光谱特性.改变晶体光轴与太赫兹脉冲偏振方向间的夹角(方位角),得到了Al2O3晶体在不同方位角下的太赫兹时域谱,计算了Al2O3晶体o光和e光的折射率和吸收系数,并画出了Al2O3晶体在太赫兹波段的折射率椭...     

葡萄糖溶液的太赫兹光谱观察

生物有机分子的生物功能必须在其水溶液中实现。太赫兹波对水非常敏感,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术能够检测生物分子——水分子界面的集体水分子网络动力学变化,是检测和研究生物有机分子溶液的理想工具。本文利用太赫兹时域光谱技术研究了葡萄糖的分子结构,获得葡萄糖及其不同浓度的溶液在室温氮气环境下的太赫兹时域吸收光谱,以及在室温真空环境下的傅里叶远红外光谱(FTFIR)。结果表明葡萄糖溶液对太赫兹波有特征吸收峰,不同浓度的葡萄糖溶液对太赫兹波的吸收各不相同。故使用太赫兹时域光谱技术能够完成葡萄糖及其不同浓度溶液的鉴别。     

纤维增强复合材料太赫兹成像无损检测

利用太赫兹时域光谱成像技术检测了内含缺陷的玻璃纤维与碳纤维增强复合材料,获得了材料内部缺陷的太赫兹透射图像,从而实现对复合材料样本的无损检测。实验结果表明,太赫兹透射成像技术可检测出多层玻璃纤维复合材料的层间缺陷。但该技术对于碳纤维复合材料中缺陷的检测能力有限,主要是因为碳纤维具有导电特性,导致太赫兹信号对其穿透能力有限。通过对成像模式的调节,太赫兹无损检测技术可对碳纤维材料内部深度约为0.2 mm、宽度为10 mm的缺陷进行成像检测。这为发展准确、灵敏、高效的纤维增强复合材料太赫兹无损检测技术提供了基础实验数据。     

太赫兹时域光谱反射式层析成像技术

改性聚丙烯（PP）材料由于其阻燃、高抗冲性能等特点被广泛应用在汽车仪表板、保险杠等汽车配件中,采用无损探伤技术对改性PP材料进行检测是汽车配件质量保证的必要手段。搭建了透射式太赫兹时域光谱系统及反射式太赫兹时域光谱成像系统,采用透射式THz-TDS系统对改性PP材料的光学参数进行了检测,测定了该材料在太赫兹波段的折射率,其数值为1.53。设计了一种改性PP材料平底洞样品,采用反射式THz-TDS成像系统对其进行成像,采用了反卷积滤波技术对THz信号进行处理,提高了信号的信噪比,提出了一种基于飞行时间的太赫兹时域光谱层析成像技术,采用已测定的改性PP材料的折射率,通过飞行时间层析成像技术对该样品的太赫兹检测结果进行了三维重构,厚度测量精度为0.01mm。     

常见服装面料的太赫兹光谱研究

利用自建的太赫兹时域光谱系统对生活中主要的常见服装面料进行了实验研究,实验中首先对棉、毛、麻、丝、涤纶、氨纶、混纺等这7 种典型面料分别进行测试,可以获得各自的太赫兹时域光谱,然后利用快速傅里叶变换关系分别对每个时域脉冲进行相关计算,最终获得这些面料的太赫兹频域光谱信息,尤其是样品的折射率和吸收系数等。研究表明,这些在可见光波段不透明的服装面料,在太赫兹频段几乎完全可透视,且没有特征吸收峰,该研究对于进一步开展隐藏危险物的识别和成像具有非常重要的意义。     

太赫兹时域光谱系统检测MCT陶瓷太赫兹性能

通过固相反应法制备MgTiO3-CaTiO3陶瓷,采用太赫兹时域光谱系统测试该陶瓷样品的时域光谱,经过计算得到0.2 THz~2.5 THz频率范围内陶瓷的电容率和吸收系数;介质陶瓷的电容率随烧结温度升高先增大后减小,烧结条件为1 260℃×3 h的陶瓷性能最佳,在1 THz处电容率为18.68,吸收系数为8.52 cm-1,可望应用于太赫兹整机设备中的材料与元器件。     

乳清酸的太赫兹光谱研究

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术测量了乳清酸在10~120 cm-1的室温特征吸收谱;基于密度泛函理论,对乳清酸单个分子和晶胞周期结构的光学模式进行模拟计算。研究结果表明：乳清酸在10~120 cm-1波段范围内有3个明显的特征吸收峰,除95.5 cm-1的吸收峰来源于分子内和分子间相互作用外,其余2个特征吸收峰主要来源于分子间相互作用模式。乳清酸分子间的相互作用一定程度上遏制了其分子内振动强度。该研究将有助于工业生产中乳清酸的监测及其临床药理特性的分析。     

基于太赫兹时域光谱技术的水蒸气传输特性研究

为了评估太赫兹波在空间通信、雷达、遥感等方面的潜在应用,需要研究太赫兹波在大气中的传输特性。由于0.1～2 THz的太赫兹波在大气中传输的主要衰减来自水蒸气,采用太赫兹时域光谱技术(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS),在2 m长的太赫兹传输行程中对不同湿度的空气进行了透射光谱测量,获得了水蒸气在0.1～2THz频率范围内的吸收谱、传输率和弱衰减窗口。     

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。     

太赫兹纤维波导研究进展

实现太赫兹波的低损耗、柔性传输是解决太赫兹设备轻量化、便携化的一个核心途径.本文综合分析了近年来太赫兹纤维波导技术的研究历程,把纤维波导的研究分为原始材料的选择和挖掘、纯材料的结构设计与加工、拉伸超材料波导的设计与加工3 个阶段,并对各阶段的典型研究成果、优缺点及应用性进行了总结.最后,展望拉伸超材料将成为近期太赫兹纤维波导技术研究的新方向,有望实现太赫兹波的低损耗、柔性化、低廉性传输.     

环烯烃聚合物太赫兹光子晶体光纤设计与制造

为降低传输损耗,在太赫兹波段采用具有低吸收损耗的环烯烃共聚物作为基质材料,设计了一种太赫兹光子晶体光纤。通过全矢量有限元法模拟仿真,对光子晶体光纤的损耗和频率的关系进行了分析计算。结果表明,这种光纤在太赫兹频段具有良好的传输特性,大大优于传统的金属波导,且该类型光纤还具备良好的弯曲性能,在太赫兹频段具有重要应用价值。     

基于希尔伯特变换和功率谱估计的薄缺陷厚度太赫兹检测

提出将希尔伯特变换和功率谱估计相结合的光谱分析算法,对太赫兹反射时域波形进行处理,并将该算法应用于太赫兹时域光谱成像,将缺陷厚度和图像灰度关联,实现同时对玻璃纤维层压板内部缺陷厚度、位置和形状的成像检测。实验结果表明：将多重信号分类谱估计、自回归谱估计和希尔伯特变换结合时,能成功区分厚度为0.08 mm缺陷上下表面反射脉冲,反射脉冲的时间分辨率小于0.5 ps,缺陷厚度的检测误差不高于0.03 mm。     

基于太赫兹布拉格光纤的表面生物传感器

空心布拉格光纤在传感领域应用极为广泛。本文提出了一种基于带有缺陷层的太赫 兹(terahertz,THz)空心布拉格光纤的表面生物传感器,并对该传感器在太赫兹频段的细菌种类检测性能进行 分析。在太赫兹布拉格光纤中,高折射率光敏树脂层和低折射率空气层以纤芯为中心周期性 排列,在纤芯内壁沉积分析物引入缺陷模式。本文对提出的传感器性能进行了数值研究。仿 真结果表明,该传感器有很高的纤芯功率比,限制损耗在0.3 THz和0.45 TH z频 段有损耗峰,能得到可识别的特征频率,此特征频率用于细菌种类检测。当频率大于0.7 TH z时,该传感器可实现厚度无关的表面生物传感。本文所提出的基于太赫兹空心布拉格光纤 的 表面生物传感器可用于检测细菌种类,在微生物检测方面有很大的应用潜力。     

太赫兹光子晶体光纤与天线设计

以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)材料为基质,设计了一种空芯多孔包层结构的太赫兹光纤,中心的大孔缺陷用于传输太赫兹波,周围四层小孔可以将太赫兹波的传播限制在缺陷内部。利用COMSOL软件对光纤的损耗特性进行仿真分析发现,光纤在0.6 THz的泄露损耗低于0.1 dB/m,具有良好的传输特性。和金属波导口可以当作天线辐射电磁波的原理相似,光纤的端面也可以作为天线将内部传输的太赫兹波向外辐射,通过仿真分析,天线在0.59~0.61 THz的回波损耗低于-25 dB,方向性系数大于20 dB,半功率波束宽度约为13。     

石英玻璃太赫兹光学参数测量的误差分析

测量液体或气体样品的太赫兹光学参数时,常采用石英玻璃作为容器,因此在计算样品的折射率和吸收率时需要考虑石英玻璃太赫兹光学参数的影响。文中利用太赫兹时域谱技术测量了石英玻璃的太赫兹时域光谱,根据测量模型计算了太赫兹波段的折射率和吸收率,并利用误差传播理论分析了这些光学参数的误差。结果发现折射率误差在0.2~2.0 THz范围内基本保持不变,而吸收率误差则随频率增大而呈指数增大。这对于提高测量石英玻璃容器中的气体及液体样品太赫兹光学参数的准确性具有重要价值。     

InSb材料光电导辐射太赫兹波理论研究

分析基于光电导理论的太赫兹(THz)辐射原理,对基于锑化铟(InSb)半导体材料的光电导辐射过程进行理论推导,并获得太赫兹近远场辐射等参数.利用有限时域差分(FDTD)方法分析空域太赫兹波的传播过程,得到不同时刻太赫兹波传播的三维效果图.理论研究结果与文献实验数据较好吻合,证明研究方法的正确性.     

太赫兹波与光子晶体光纤的单透镜耦合研究

文章在设计低损耗太赫兹光子晶体光纤的基础上,利用光学设计软件 Zemax 设计了一种焦距为24.80 mm、厚度为2.00 mm、有效孔径为6.25 mm的Topas COC(环烯烃共聚物)太赫兹单透镜。该透镜能有效提高太赫兹光束与波导的耦合,耦合效率可达75.01%。运用Zemax和 Matlab软件分析了太赫兹波导与耦合系统在对接出现误差情况下对耦合效率的影响,并分别给出了存在横向偏差与角度偏差情况下的耦合效率变化曲线。研究结果可为太赫兹传输技术提供理论参考。     

建筑材料的太赫兹谱实验研究

对几种建筑材料(土、石、砖、水泥、木片)的穿透特性进行实验研究,得到了这几种建筑材料的折射率曲线与吸收系数曲线.实验表明,太赫兹辐射对土、石、砖、水泥、木材等建筑材料有较高的透射率.这为把太赫兹辐射用于安检提供了依据.