首都师范大学物理系, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 太赫兹波谱与成像北京市重点实验室, 北京成像理论与技术高精尖创新中心, 北京 100048
许多生物分子的振动及转动能级都在太赫兹波段, 因此太赫兹时域光谱技术可以用来探测生物分子。 并且由于太赫兹波的光子能量较低, 仅为毫电子伏量级, 在探测过程中不会破坏生物样品, 所以太赫兹时域光谱技术在未来生化检测等研究领域具有非常广泛的应用前景。 研究表明, 大多数生物分子需要在液体环境中才能充分发挥其生物活性, 然而水溶液中的氢键在太赫兹波段会产生强烈的吸收。 另外, 水分子是极性分子, 太赫兹波对极性分子也有很强的共振吸收, 这使得利用太赫兹时域光谱技术检测液体环境中的活性生物分子非常困难。 因此, 许多研究团队将太赫兹时域光谱技术与微流控技术相结合, 以减少各种因素对生物分子检测的影响。 微流控技术是通过减小微流控芯片中液体池的深度来减少液体样品与太赫兹波的作用距离, 从而减少水溶液对太赫兹波的吸收。 使用对太赫兹波的透过率高达95%的环烯烃共聚物（COC: Zeonor 1420R）为材料制作了双层微流控芯片, 该微流控芯片内部液体池的长度和宽度均为4 cm, 深度为50 μm。 此外, 由于在电解质溶液中存在大量自由移动的阴阳离子, 所以为了探究电解质溶液中自由移动的阴阳离子对太赫兹透射特性的影响, 使用外加电场装置对注入液体样品的微流控芯片施加电压。 该外加电场装置包括电源, 一个封装在有机玻璃盒中的 ZVS电路和一个输出电压为10 000 V的直流高压包。 在此基础上研究了五种相同浓度的钾盐溶液以及这五种钾盐溶液在外加不同时间的恒定电场中的太赫兹波的透射特性, 为进一步加强THz技术在生物化学中的应用提供了依据。 再者, 电解质溶液中的大量阴阳离子在外加电场的作用下会发生运动, 这为利用太赫兹时域光谱技术研究电解质溶液的动态特性提供了技术支持。
太赫兹 微流控芯片 电场强度 吸收特性 Terahertz Microfluidic chip COC COC Electric field strength Absorption characteristics
1 南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院，江苏 南京 210023
2 南京邮电大学射频集成与微组装技术国家地方联合工程实验室，江苏 南京 210023
光热微执行器广泛应用于光学微机电系统和微机器人。利用功能染料的窄带吸波特性制作可控制性强、位移大的波导式激发光热U型微执行器，并仿真了该执行器的温度和位移变化。制作了单臂长度和半径分别为5.8 mm和200 μm的窄波段响应光热微执行器。实验结果表明，本方案制作的执行器具有位移响应大、能量利用率高、生产成本低以及集成度高的优势。在功率为100 mW激光的驱动下，该执行器自由端能在紫光（408 nm）或红光（638 nm）波段实现100~160 μm的位移，远大于非对应波段光束产生的位移（20 μm）。
激光光学 光热微执行器 窄带吸收特性 悬浮打印 水凝胶 激光与光电子学进展
2023, 60(1): 0114005
首都师范大学物理系, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 太赫兹波谱与成像北京市重点实验室, 北京成像理论与技术高精尖创新中心, 北京 100048
太赫兹波的光子能量只有毫电子伏特, 远低于各种化学键的键能, 因此不会和生物组织发生有害的电离反应; 另一方面, 由于大部分生物分子转动和振动所具有的特征能量都在太赫兹范围内, 所以利用太赫兹波可以对生物分子进行识别。 水是生物环境中最重要的液体, 生物分子与液态水之间的相互作用决定了其生物活性, 因此研究液态水的太赫兹特性就显得十分重要。 水作为极性液体, 其中的偶极分子-偶极分子间的相互作用和极性分子间的氢键会对太赫兹波产生较大的吸收作用, 这就使利用太赫兹技术研究液体环境下的生物分子动力学特性变得相当困难。 微流控技术通过改变微流控芯片中液体通道的深度来控制液体样品的厚度, 以减少太赫兹波与液体样品的作用距离, 从而使水对太赫兹波的吸收大幅减小。 利用对太赫兹波的透过率高达95%的Zeonor 1420R材料和双面胶制作了可重复性使用的夹心式微流控芯片, 芯片上液体通道的长度、 宽度、 深度分别为2 cm, 5 mm和50 μm。 另外, 设计制作了一个制冷系统, 由制冷片、 散热模块、 温度传感器、 保温箱和温度控制器构成, 该制冷系统可以对保温箱的内部环境制冷并在一定程度上保持恒温。 在实验过程中, 将注满水的微流控芯片置于保温箱中, 利用制冷系统对微流控芯片中的水进行制冷处理, 从8~-3 ℃每隔1 ℃进行一次太赫兹透射测量, 通过对实验数据的分析, 发现随着温度降低, 水的太赫兹透过率不断增大, 说明水对太赫兹波的吸收随着温度的降低而降低。 此结果为将来在不同低温环境下利用微流控技术研究液体样品的太赫兹吸收特性打下了基础, 为太赫兹在生物领域的应用与发展提供了技术支持。
太赫兹 液态水 微流控芯片 温度 吸收特性 THz Liquid water Microfluidic chip Temperature Absorption characteristics 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2709
1 广东电网有限责任公司电力科学研究院, 广东 广州 510080
3 河南省日立信股份有限公司, 河南 郑州 450001
六氟化硫气体在电力领域的广泛应用带来日益严峻的环保压力, 寻求可替代的新型环保绝缘气体已成为化学及电气学科领域研究的热点。 反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯[HFO-1336mzz(E)]气体因其优良的环保特性及高介电强度受到国内外的广泛关注。 开展光谱吸收特性及检测技术的研究对深化电气性能的研究意义重大。 采用自组装压强、 温度可调控多次反射长光程池, 组合傅里叶变换红外分光光度计(FTIR)及真空泵等搭建实验测试系统, 通过FTIR实验及仿真模拟首先研究了HFO-1336mzz(E)气体在常温常压、 1 100~1 350 cm-1波段的红外吸收特性; 并对测试背景中可能存在的CO2和H2O进行谱线交叉干扰分析; 重点研究了压强、 温度对HFO-1336mzz(E)气体在1 100~1 350 cm-1波段红外光谱吸收特性的影响; 同时基于非分散红外(NDIR)技术对HFO-1336mzz(E)气体低浓度泄漏及高浓度混合比传感器进行了仿真测试。 结果表明: HFO-1336mzz(E)的三个强吸收峰的中心波数分别为1 152, 1 267及1 333 cm-1, 模拟仿真红外光谱与气体实测结果吻合较好; 1 333 cm-1处干燥空气背景中CO2吸收强度数量级低至10-6, 在150 nm滤波带宽内水分子峰面积积分影响因子约为1.44×10-3, 谱线交叉干扰均可忽略不计, 而痕量泄漏检测时需要湿度补偿; 选择HFO-1336mzz(E)气体在1 333及1 267 cm-1位置分别作为NDIR技术实现低浓度泄漏及高浓度混合比检测的吸收谱线切实可行; 光谱吸收系数及谱线展宽随着压强升高而增大, 1 333及1 267 cm-1位置吸收系数随压强的变化率分别为0.273和0.118 cm-1·kPa-1; 随温度的升高峰值吸收系数减小, 谱线展宽变窄, 但不同位置吸收系数变化差异较大, 1 333及1 267 cm-1位置吸收系数随温度的变化率分别为-0.105 6和-0.035 cm-1·K-1。 传感器仿真测试结果显示1 333 cm-1处5 cm光程可实现0~1 800 μL·L-1低浓度痕量泄漏测试, 1 267 cm-1位置2 mm光程可实现0~10%高浓度混合比测试。 该研究为基于红外光谱吸收原理的光学气体传感器的研制提供实验与理论依据。
反式-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯 红外吸收特性 温度特性 压强特性 非分散红外技术 仿真测试 Trans-1,1,1,4,4,4-hexafluoro-2-butene Infrared absorption characteristics Temperature characteristic Pressure characteristic NDIR technology Simulation test 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3099
太赫兹光电子学教育部重点实验室, 太赫兹波谱与成像北京市重点实验室,北京成像理论与技术高精尖创新中心, 首都师范大学物理系, 北京 100048
许多生物分子自身的转动、 振动或分子团的整体振动模式都位于太赫兹波段内, 因此可以利用太赫兹光谱技术对生物分子进行检测。 同时又由于太赫兹波的光子能量仅为毫电子伏量级, 不会对分子的内部结构造成破坏, 所以太赫兹时域光谱技术在生物检测方面具有良好的应用前景。 众所周知, 绝大多数的生物分子只有在液体条件下才能发挥其生物活性, 所以研究液体环境下生物分子之间的相互作用就非常必要。 然而水分子的转动模式、 振动模式以及和氢键有关的能量均处于太赫兹波段, 从而对其产生强烈的吸收; 另外, 水分子为极性分子, 而极性分子对太赫兹波有强烈的共振吸收, 这就使利用太赫兹技术对生物分子活性进行动态表征产生了困难。 因此在研究溶液中的生物分子与太赫兹波的相互作用时, 最大限度地减小水分子对太赫兹波的吸收就成为近年来的研究热点。 目前, 减少水对太赫兹波吸收的主要方法有: 在溶液样品中加入抑制氢键缔合的离子来减小水对太赫兹的吸收; 通过改变溶液的温度来调节水对太赫兹的吸收; 利用微流控芯片技术, 通过减小被测样品与太赫兹波的作用距离来减小水对太赫兹波的吸收。 另外, 激光的激励、 电场或磁场的处理, 也能改变水对太赫兹波的吸收, 将盛有去离子水的微流控芯片放于电场中, 研究经电场处理不同时间的去离子水对太赫兹吸收强度的影响。 结果发现, 太赫兹波的透射强度随着去离子水在电场当中静置时间的增加而增强, 当在电场中静置60 min时, 太赫兹的频谱强度达到最大, 与空气的频谱强度接近。 由此可以推断外加电场使水分子的偶极矩发生了变化, 从而对整体水分子的振动和转动产生了影响, 并且改变了水中的氢键结构, 导致了太赫兹透射光谱强度的增强。
太赫兹 微流控芯片 去离子水 电场 吸收特性 Terahertz Microfluidic chip Deionized water Electric field Absorption characteristics 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1683
首都师范大学物理系, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 太赫兹波谱与成像北京市重点实验室,北京成像理论与技术高精尖创新中心, 北京 100048
很多生物大分子的特征振动模式和转动模式都位于太赫兹波段范围内, 且太赫兹波的低电子能特性使其在实验过程中不会对待测样品造成破坏, 所以可以采用太赫兹技术来鉴别生物样品。 在许多研究中, 生物样品都是溶液状态, 溶液中水和其他分子之间的相互作用涉及很多生物现象, 所以研究水的太赫兹特性就显得至关重要。 众所周知, 水分子是十分常见的极性分子, 分子间氢键会与太赫兹波发生强烈的相互作用, 从而使得水对太赫兹波有很强的吸收作用, 导致利用太赫兹技术研究水溶液中生物样品的动态特性变得相当困难。 为了解决这一难题, 可以引入微流控技术。 微流控技术以能精确操控微尺度流体而著称, 其沟道深度可以达到50μm甚至更小。 由于微流控技术减小了太赫兹波在流体中的传播距离, 从而极大地减小了水对太赫兹波的吸收。 本研究采用对太赫兹波具有高透过率的Zeonor 1420R材料制成了夹心式微流控芯片, 芯片上微沟道的长度、 宽度和深度分别为3 cm, 4 mm和50 μm, 太赫兹探测区的直径为3 mm。 在制作微流控芯片时, 利用厚度为50μm的强黏性双面胶代替传统夹心式微流控芯片中的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜, 使微流控芯片在加热过程中不再有漏液现象。 另外, 设计了一个温控系统, 它由加热片、 温度传感器和温控仪构成, 该温控系统能够以0.1 ℃的精度控制温度。 利用该系统对微流控芯片中的去离子水进行加热, 从20～90 ℃每隔5 ℃进行一次太赫兹透射测量, 通过对实验数据的分析, 发现随着温度升高, 水的太赫兹透过率不断减小, 说明水对太赫兹波的吸收随着温度的升高而变大。 此结果为未来在不同环境温度下利用微流控技术研究液态样品的太赫兹吸收特性提供了先决条件, 为未来太赫兹的应用与发展提供技术支持。
太赫兹 去离子水 微流控芯片 温度 吸收特性 Terahertz Deionized water Microfluidic chip Temperature Absorption characteristics 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1678
方子君 1惠勇凌 1,2,3,4李国泰 1朱占达 1,2,3,4[ ... ]李强 1,2,3,4,*
1 北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院, 北京 100124
2 北京市激光应用技术工程技术研究中心, 北京 100124
3 激光先进制造北京高等学校工程研究中心, 北京 100124
4 跨尺度激光成型制造技术教育部重点实验室, 北京 100124
通过实验研究了不同切割方向Co 2+∶MgAl2O4的可饱和吸收特性。测量了[100]和[110]切割方向Co 2+∶MgAl2O4的各向异性透过率特性,测量结果表明,[100]和[110]切割晶体的透过率随入射光偏振方向呈周期性变化。采用[100]和[110]两种切割方向Co 2+∶MgAl2O4分别构成被动调Q激光器,并比较激光器的输出特性,结果表明,采用[110]切割的晶体有明显的优势,相比[100]切割晶体输出能量提高约8%,稳定性、光束质量、消光比均略有提高。
激光光学 Co
2+∶MgAl2O4; 可饱和吸收特性 各向异性 被动调Q 光学学报
2020, 40(22): 2214001
1 中国矿业大学国土环境与灾害监测国家测绘地理信息局重点实验室, 江苏 徐州 221116
2 中国矿业大学环境与测绘学院, 江苏 徐州 221116
3 华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室, 上海 200241
土壤中的重金属含量较少, 难以在光谱曲线上表现出明显的特征, 现有的土壤重金属反演实验多是通过统计的方法寻找重金属的敏感波段, 不能准确解释土壤重金属的反演机理, 难以建立土壤重金属反演的普适性模型, 通过分析铁锰氧化物、 有机质、 粘土矿物在土壤光谱曲线上的吸收特征, 深入研究了土壤重金属对可见光近红外光谱的影响, 分析了褐土中的重金属反演机理。 以徐州试验田为例, 共采集80个土壤样本。 首先, 利用ASD地物光谱仪测定土壤样本的光谱反射率, 并采用电感耦合等离子体质谱仪检测土壤样品中的Cr, Cd, Cu, Pb和Zn的含量。 然后, 土壤光谱经过包络线去除处理, 与重金属相关的吸收峰在480, 1 780和2 200 nm附近, 所显现的吸收峰主要受土壤中的铁锰氧化物、 有机质、 粘土矿物的影响。 在吸收峰位置提取了光谱吸收特征的四个参数： Depth480, Depth1 780, Depth2 200和Area2 200, 分析了它们随五种重金属含量变化的增减趋势, 发现四个参数数值与五种重金属含量有很强的相关性。 分析单个变量反演重金属发现, 参数Depth480反演Cr和Pb的效果较好, 参数Area2 200, Depth1 780反演Cd, Cu和Zn的效果比较好。 同时使用四个光谱吸收特征参数, 利用最小二乘法、 岭回归法、 支持向量回归法求取回归系数, 建立的五种重金属含量的反演模型比使用单变量建立的反演模型预测能力强且稳定, 五种重金属Cr, Cd, Cu, Pb和Zn反演效果最好的验证集决定系数分别是0.71, 0.84, 0.92, 0.80, 0.89。 结果表明, 在此研究区域Cr和Pb容易被铁锰氧化物吸附, 而Cd, Cu和Zn更容易被有机质、 粘土矿物吸附。 此研究为探究土壤光谱特征与土壤重金属含量之间的关系提供了参考。
土壤重金属 光谱吸收特征 反演机理 岭回归 Soil heavy metals Spectral absorption characteristics Retrieval mechanism Ridge regression
华东交通大学信息工程学院, 江西 南昌 330013
针对单一结构纳米天线吸收率不高和波段较窄的缺点,结合多缝隙结构和蝶形偶极子,提出了一种多缝隙蝶形偶极子纳米天线。多缝隙蝶形偶极子是由Au纳米蝶形偶极子刻蚀多条缝隙构成的,该结构能同时实现尖端近场耦合、光栅耦合以及不同介质间的杂化耦合,这三种耦合的共同作用可以在宽波段内有效提高吸收率。采用时域有限差分方法分析了宽波段下该纳米天线的吸收性能,数值分析表明:在400~1800 nm波段,多缝隙蝶形偶极子纳米天线的吸收特性曲线出现多个吸收波峰,吸收峰值最高可达98.4%,平均吸收率为84.1%。该天线的吸收性能明显优于蝶形偶极子纳米天线,在不同偏振状态以及不同角度入射光下,该天线均能在宽波段内保持较好的吸收性能。
光学器件 纳米天线 多缝隙蝶形偶极子 等离激元 时域有限差分法 吸收特性
1 桂林电子科技大学电子工程与自动化学院, 广西 桂林 541004
2 广西高校光电信息处理重点实验室, 广西 桂林 541004
石墨烯是一种具有二维碳纳米结构的半导体材料, 其在太赫兹波段的研究成果已被用于光电子器件, 而其他二维硫属材料在太赫兹波段的研究却鲜有报道。从理论和实验两方面对高阻硅衬底的石墨烯以及类石墨烯MoS2、WS2在太赫兹波段的吸收机制进行研究。通过太赫兹时域光谱系统测量不同抽运光功率下透过类石墨烯材料的太赫兹光谱, 并进行计算分析, 得到它们的透射谱、光电导率和吸收光谱。结果表明：通过改变光场条件同样可以对这两类类石墨烯材料进行调制; 对于MoS2、WS2, 当施加光场时, 其吸收主要由二硫族化合物激子作用引起。
光谱学 吸收特性 太赫兹光谱 类石墨烯 光场调控 激光与光电子学进展
2018, 55(10): 103001
