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《太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的新進(jìn)展》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。
1、第34卷分析化學(xué)(FENXIHUAXUE)評述與進(jìn)展第4期2006年4月ChineseJournalofAnalyticalChemistry576~581評述與進(jìn)展太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的新進(jìn)展1*12王鳳霞張卓勇張存林12(首都師范大學(xué)化學(xué)系,物理系,北京100037)摘要隨著超快激光技術(shù)的發(fā)展及其人們對太赫茲(THz)電磁波波段及與脈沖光源認(rèn)識的進(jìn)一步深入,太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)技術(shù)作為一種新的、快速發(fā)展的光譜分析方法在許多領(lǐng)域備受關(guān)注。尤其在化學(xué)領(lǐng)域,THz-TDS技術(shù)已得到了廣泛的應(yīng)用,并顯示出了廣闊的應(yīng)
2、用前景。本文介紹了THz技術(shù)的特點(diǎn)、THz輻射的產(chǎn)生、探測及其信號處理;討論了該技術(shù)在化學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用;初步探討了該技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中一些亟待解決的問題及今后發(fā)展的方向。關(guān)鍵詞太赫茲,時(shí)域光譜,評述1引言太赫茲(THz)輻射指頻率在(0.1~10)1012Hz(波長在30m~3mm)之間的電磁輻射,其波段位于微波與紅外光之間。在20世紀(jì)80年代中期以前,由于缺乏有效的檢測THz輻射波的方法,人們對該波段電磁輻射性質(zhì)的認(rèn)識非常有限,以致被稱為電磁波譜中THz空隙。近十幾年來,超快激光技術(shù)的迅速發(fā)[1,2]展為THz脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源,使THz輻射技術(shù)和
3、應(yīng)用研究得到了蓬勃發(fā)展。這與THz電磁波波段的重要性及脈沖光源的獨(dú)特性是分不開的。首先,人們認(rèn)識到物質(zhì)的THz光譜(包括發(fā)射、反射和透射譜)包含著豐富的物理和化學(xué)信息,研究物質(zhì)在這一波段的光譜對于物質(zhì)結(jié)構(gòu)及其狀態(tài)與環(huán)境關(guān)系的探索具有重要的意義。其次,THz脈沖光源與傳統(tǒng)的光源相比具有以下獨(dú)特的性質(zhì):(1)瞬態(tài)性:THz脈沖的典型脈寬在皮秒量級,不但可以方便地進(jìn)行時(shí)間分辨的研究,而且通過取樣測量技術(shù),能5夠有效地抑制背景輻射噪音的干擾。目前,輻射強(qiáng)度測量的信噪比可大于10;(2)寬帶性:THz脈沖源通常只包含若干個(gè)周期的電磁振蕩,單個(gè)脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz至幾十THz的范圍;(3)相干性
4、:THz的相干性源于其產(chǎn)生機(jī)制。它是由相干電流驅(qū)動的偶極子振蕩產(chǎn)生,或是由相干的激光脈沖通過非線性-3光學(xué)差頻變換產(chǎn)生;(4)低能性:THz光子的能量只有10eV,因此不易破壞被檢測的物質(zhì),適合生物大分子和活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究;(5)THz輻射對于很多非極性物質(zhì),如電介質(zhì)材料、紙箱、布料等包裝材料有很強(qiáng)的穿透力,可用來對已經(jīng)包裝的物品進(jìn)行質(zhì)檢或者用于安全檢查;(6)大多數(shù)極性分子如水分子、氨分子等對THz輻射有很強(qiáng)的吸收,可以通過分析它們的特征譜來研究物質(zhì)成分或者進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制。THz輻射上述的優(yōu)點(diǎn)決定了它在許多方面可以成為傅里葉變換紅外光譜、X射線技術(shù)及近紅外光譜技術(shù)的互補(bǔ),使THz電磁
5、波在很多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、工業(yè)應(yīng)用及軍事應(yīng)用領(lǐng)域有相當(dāng)重要的應(yīng)用前景。近幾年,隨著THz技術(shù)的發(fā)展,該技術(shù)在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、微電子學(xué)、農(nóng)業(yè)及其它領(lǐng)域已顯示出巨大的應(yīng)用潛[3~6]力。目前,世界上許多研究機(jī)構(gòu)相繼開展了THz技術(shù)的研究,并已取得了可喜的成就。本文主要介紹了THz技術(shù)的特點(diǎn),THz輻射的產(chǎn)生、探測及其信號處理;討論了該技術(shù)在化學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用;初步探討了該技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用中一些亟待解決的問題。2太赫茲時(shí)域光譜簡介2.1THz電磁波的產(chǎn)生2005-05-19收稿;2005-08-20接受本文系國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目(No.10390160)和中國人民解放軍總裝備部武器裝備
6、重點(diǎn)基金(No.6140524)資助第4期王鳳霞等:太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的最新進(jìn)展577太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)是一種非常有效的測試技術(shù),典型的THz時(shí)域譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是由超快脈沖激光器,THz發(fā)射元件、THz探測和時(shí)間延遲控制系統(tǒng)組成。超快激光器產(chǎn)生具有fs脈寬的激光脈沖串列,這些脈沖串列被分為兩路,其中一路作為泵浦光,激發(fā)THz發(fā)射元件產(chǎn)生THz電磁波。THz的發(fā)射元件可以是利用光整流效應(yīng)產(chǎn)生THz輻射的非線性光學(xué)晶體,也可以利用光電導(dǎo)機(jī)制發(fā)射THz輻射的赫茲偶極天線。在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中采用了偶極子天線,可能是由于偶極子天線相對結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜,人們對其結(jié)構(gòu)研究更為透
7、徹、同時(shí)這種偶極子天線有很好的頻率響應(yīng)特性和較高的轉(zhuǎn)換效率,可產(chǎn)生小于100fs的THz電磁脈沖。2.2THz輻射的探測和THz時(shí)域信號的處理由超快激光器發(fā)出有fs脈寬的激光脈沖串列的另一路作為探測光與THz脈沖匯合后共線通過THz探測元件。由于THz波的周期通常遠(yuǎn)大于探測光的脈寬,因此探測光脈沖通過的是一個(gè)被THz電場調(diào)制的接受元件。與THz脈沖的激發(fā)方式類似,檢測技術(shù)也分為兩種:(1)使用電光(EO)晶體作為THz
