Author Affiliations
Abstract
1 Centre for Terahertz Waves and College of Precision Instrument and Optoeletronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2 School of Electrical and Computer Engineering, Oklahoma State University, Stillwater, Oklahoma 74078, United States
The dynamics of water within a nanopool of a reverse micelle is heavily affected by the amphiphilic interface. In this work, the terahertz (THz) spectra of cyclohexane/Igepal/water nonionic reverse micelle mixture are measured by THz time-domain spectroscopy and analyzed with two Debye models and complex permittivity of background with volume ratios. Based on the fitted parameters of bulk and fast water, the molar concentration of all kinds of water molecules and hydration water molecule number per Igepal molecule are calculated. We find that slow hydration water has the highest proportion in water when the radius parameter , while bulk water becomes the main component when . The feature radius ratio of nonhydrated and hydrated water to total water nanopool is roughly obtained from 0.39 to 0.85 with increasing .
reverse micelle water dynamics THz spectroscopy Chinese Optics Letters
2024, 22(1): 013001
Author Affiliations
Abstract
1 Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences, Moscow 119991, Russia
2 Bauman Moscow State Technical University, Moscow 105005, Russia
3 Institute for Regenerative Medicine, Sechenov University, Moscow 119991, Russia
4 Institute of Solid State Physics of the Russian Academy of Sciences, Chernogolovka 142432, Russia
5 Research Institute of Human Morphology, Moscow 117418, Russia
6 School of Precision Instrument and Optoelectronic Engineering, Tianjin University, Tianjin 300000, China
7 College of Materials Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610000, China
8 Science Medical Center, Saratov State University, Saratov 410012, Russia
9 Institute of Precision Mechanics and Control, FRC "Saratov Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences", Saratov 410028, Russia
Terahertz (THz) technology offers novel opportunities in biology and medicine, thanks to the unique features of THz-wave interactions with tissues and cells. Among them, we particularly notice strong sensitivity of THz waves to the tissue water, as a medium for biochemical reactions and a main endogenous marker for THz spectroscopy and imaging. Tissues of the brain have an exceptionally high content of water. This factor, along with the features of the structural organization and biochemistry of neuronal and glial tissues, makes the brain an exciting subject to study in the THz range. In this paper, progress and prospects of THz technology in neurodiagnostics are overviewed, including diagnosis of neurodegenerative disease, myelin deficit, tumors of the central nervous system (with an emphasis on brain gliomas), and traumatic brain injuries. Fundamental and applied challenges in study of the THz-wave – brain tissue interactions and development of the THz biomedical tools and systems for neurodiagnostics are discussed.
THz technology THz spectroscopy and imaging superresolution imaging biophotonics brain neurodiagnosis tumor glioma neurodegenerative diseases brain injury light scattering Opto-Electronic Advances
2023, 6(5): 220071
1 中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室, 北京 102249
2 中国石油大学（北京）新能源与材料学院, 北京 102249
3 中国石油大学（北京）石油和化工行业油气太赫兹波谱与光电检测重点实验室, 北京 102249
准确认识不同种类的岩石特征对地质构造、 结构与年代的判断至关重要。 常规光学显微手段虽然可以对岩石的颜色与表面形貌进行直接观测, 但是对岩石种类的判断往往凭靠经验, 一些颜色相近的矿物容易混淆, 所得结果并不准确。 光谱方法能够在不同频段给出样品的多个光学参数信息, 通过建立光学参数与样品自身物性的联系, 可以从多个维度确定样品的性质, 从而有望实现对不同矿物成分与含量定性、 定量评价。 太赫兹光谱具备一定的穿透能力, 能够透过一定厚度的岩石, 是研究岩石物理性质的合理手段。 基于太赫兹光谱技术, 对取自不同地区的花岗岩、 灰岩、 砂岩和油页岩样品进行测试, 分别计算得到每个样品的等效折射率n、 衰减系数a, 并以a为横坐标、 n为纵坐标作图, 结果表明, 相同岩性岩石的n与a基本呈线性相关关系, 而对于不同类型的岩石, 其n随a的线性变化趋势存在明显区别。 进而研究了岩石中的组成、 结构等信息与其太赫兹光谱响应的联系, 分析了不同岩性岩石的光谱响应机制, 结果表明: 花岗岩与灰岩的结构较为致密, 其矿物组成是影响太赫兹光谱响应的主要因素, 利用太赫兹参数能够估算岩石中铁、 镁元素的相对含量; 砂岩的成分较为单一, 太赫兹光谱响应受孔隙度的影响; 而对于油页岩来说, 由于有机质具有强吸收、 低折射率的特点, 其有机质含量越高, 折射率越低, 对太赫兹吸收越强。 结果表明, 太赫兹光谱技术有望成为岩石物理性质现有研究手段的合理补充, 为其评价、 分析提供新技术、 新指标, 有着极其光明的应用前景。
岩石 太赫兹光谱 矿物 孔隙度 含油率 Rock THz spectroscopy Minerals Porosity Oil yield 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1314
1 昆明理工大学信息工程与自动化学院, 云南 昆明 650504
2 昆明理工大学材料科学与工程学院, 云南 昆明 650093
特征提取对于太赫兹光谱识别来说至关重要。 传统方法是通过人工选取太赫兹光谱中差异性较大的吸收峰作为特征进行光谱识别, 但当部分物质在太赫兹波段没有明显波峰、 波谷等光谱图形特征时, 这种方式便不再适用。 为此, 研究人员利用统计学习与机器学习方法对高维太赫兹光谱数据进行降维和特征提取。 由于物质的太赫兹光谱数据各维度呈现非线性, 尤其是当不同物质的太赫兹光谱曲线整体非常相似时, 线性处理方法易产生较大误差。 针对这一问题, 提出了一种基于扩散映射(DM)的太赫兹光谱识别方法。 扩散映射能在保持数据内在几何结构的同时对其进行非线性降维, 提取的流形特征区分度较高, 对数据还有聚类效果。 首先用S-G滤波器对Alloxazine等10种物质的太赫兹光谱样本进行滤波, 并用三次样条插值法对截取相同频段后的光谱样本进行统一分辨率处理； 然后利用DM将高维太赫兹光谱数据映射到低维特征空间并提取太赫兹光谱的流形特征； 最后用多分类支持向量机(M-SVM)对十种物质的太赫兹透射光谱进行分类。 实验结果表明, 相比于主成分分析(PCA)和等距映射(ISOMAP), 使用DM提取的太赫兹光谱流形特征具有更高的区分度, 而且DM可以直接得到太赫兹光谱数据本征维数的估计值, 这为相似太赫兹光谱的快速精准识别提供了一条新的途径。
太赫兹光谱 流形学习 谱方法 扩散映射 非线性降维 THz spectroscopy Manifold learning Spectral method Diffusion Maps Nonlinear dimensionality reduction 光谱学与光谱分析
2017, 37(8): 2360
1 中国石油大学 油气光学探测技术北京市重点实验室
2 全国石油和化工行业油气 太赫兹波谱与光电检测重点实验室，北京102249
3 中国石油大学 油气光学探测技术北京市重点实验室，北京102249
作为一种广泛应用的化石能源，煤炭的在线监测非常必要。太赫兹技术是一种有效的在线检测方法，可作为传统技术的补充手段应用于煤炭的表征。基于9种煤炭标准试样的太赫兹时域光谱，计算了不同煤炭在0.1 THz~1.5 THz频段的折射率和吸收系数谱。将该频段内所有折射率和吸收系数数据作为输入变量，分别进行聚类分析，根据聚类结果，对应煤炭标准物质的已知参量，证明碳含量是影响煤炭折射率的主要因素，氢氮含量是影响吸收效应的主要因素。结果表明，太赫兹光谱结合聚类分析方法可对煤炭之间的相似性和相异性进行定性分析，为煤炭工业中的实时在线监测提供技术支持。
煤炭 太赫兹光谱 光学参数 聚类分析 coal materials THz spectroscopy optical parameters Cluster Analysis 太赫兹科学与电子信息学报
2016, 14(1): 26
1 昆明理工大学信息工程与自动化学院, 云南 昆明 650500
2 昆明理工大学材料科学与工程学院, 云南 昆明 650500
特征提取和分类是太赫兹光谱识别的关键。 部分物质在太赫兹波段内没有明显的吸收峰, 难以人工定义、 提取特征及分类识别, 为此, 结合深度信念网络(deep belief network, DBN)和K-Nearest Neighbors (KNN)分类器的优点, 提出了一种基于DBN的太赫兹光谱识别方法。 首先利用S-G滤波和三次样条插值对ATP, acetylcholine_bromide, bifenthrin, buprofezin, carbazole, bleomycin, buckminster和cylotriphosphazene在0.9～6 THz内的太赫兹透射光谱进行归一化处理; 然后由两层受限波尔兹曼机(restricted Boltzmann machine, RBM)构建DBN模型, 并采用逐层无监督的方法训练模型, 以自动提取太赫兹光谱特征; 最后用KNN分类器对8种物质的太赫兹透射光谱进行分类。 结果表明, 使用DBN自动提取的光谱特征, KNN分类器、 BP神经网络、 SOM神经网络和RBF神经网络的分类准确率达到了90%以上, 且KNN分类器的识别率优于其他三种分类器; 采用DBN自动提取物质的太赫兹光谱特征大大减少了工作量, 在海量光谱数据识别中具有广阔的应用前景。
太赫兹光谱 深层信念网络 特征提取 THz Spectroscopy DBN Feature Extraction KNN KNN 光谱学与光谱分析
2015, 35(12): 3325
针对太赫兹(1 THz=1012 Hz)电容器件发展的需求，研究了呈现巨介电和不呈现巨介电两种状态CaCu3Ti4O12(CCTO)陶瓷在THz波段的介电响应特性。在微波波段，小颗粒(Φ<2 μm)CCTO 的介电常数εr＜700，无巨介电特征，而大颗粒(Φ>10 μm)CCTO 的εr＞2000，呈现巨介电特征；两组CCTO 陶瓷的介电损耗值Tan δ在0.1~0.6之间。然而，在THz波段，两种颗粒度CCTO 的介电常数几乎完全相等(εr=72±3)，且损耗不超过0.18。实验结果表明，CCTO 陶瓷组分的离子极化率主导了在THz波段的介电常数εr，而大颗粒CCTO 对THz电磁波的散射超过小颗粒CCTO，导致介电损耗值Tan δ上升。因此，在THz波段，降低CCTO 颗粒大小不会影响介电常数，反而能够降低介电损耗。这一结果表明CCTO 陶瓷是制备THz波段电容的理想介电材料。
材料 太赫兹光谱学 频谱特性 散射
1 哈尔滨理工大学电介质工程国家重点实验室培育基地, 黑龙江 哈尔滨150080
2 哈尔滨理工大学工程电介质及其应用教育部重点实验室, 黑龙江 哈尔滨150080
3 哈尔滨理工大学电气与电子工程学院, 黑龙江 哈尔滨150080
研究和开发基于超短波和低能量激光系统的高振幅、 宽频带的太赫兹系统一直是太赫兹应用领域的一个热点。与传统电光晶体材料相比, 以电光聚合物薄膜作为太赫兹波产生和检测的最大的优势在于: 一方面电光聚合物不具有晶格结构相应的不存在声子的吸收和太赫兹折射率的散射问题, 避免光谱间隙的产生; 另一方面电光聚合物薄膜与已用于宽频太赫兹系统中的超薄电光晶体材料相比, 更易于加工和处理。另外, 可以自行设计得到低相位失配和高电光系数的电光聚合物材料, 得到高效率和宽频带的太赫兹辐射源。可以预见, 电光聚合物在这一领域的应用必将有宽阔的发展空间和学术研究意义。介绍电光聚合物的电光效应及二阶非线性生色团合成等相关理论问题基础上, 综述了近二十多年来, 电光聚合物在基于全光技术实现太赫兹波产生与检测系统中的研究进展, 主要包括: 掺钛蓝宝石飞秒激光激发下, 共聚型和主客体型电光聚合物实现太赫兹波产生与检测; 光纤飞秒激光激发下, 主客体型电光聚合物实现太赫兹波的产生与检测。
THz波 全光技术 THz光谱 电光聚合物 THz waves All-optical technique THz spectroscopy Electro-optic polymer 光谱学与光谱分析
2014, 34(8): 2053
1 中国科学院电子学研究所传感技术国家重点实验室, 北京100190
2 中国科学院大学, 北京100049
3 河南工业大学粮食信息处理与控制教育部重点实验室, 河南 郑州450001
农产品品质备受关注, 而由品质变化引发的农产品安全事故频繁, 开发农产品品质的快速无损检测技术成为研究热点。太赫兹波(THz)是介于微波与红外之间的电磁辐射, 由于其独特的优势, 具有重要的科学研究价值。近年来, 随着THz辐射源和探测器研究的不断突破, 大大丰富了THz的应用研究。与其他检测技术相比, 作为一种新型检测技术, THz辐射具有安全和高信噪比等重要特征, 能获得传统检测方法无法获得的物理、 化学和生物等信息, 在质量安全检测与控制、 生物医学和通信等领域的应用前景广阔。首先介绍了THz波的概念和主要性质, 接着对THz技术在农产品品质检测应用上的研究进展进行综述, 分析THz探测技术存在的问题, 对THz技术的应用潜力进行展望, 最后提出THz技术在储粮品质检测中新的应用和广阔前景。
太赫兹光谱 太赫兹成像 无损检测 农产品品质 储粮品质 THz spectroscopy THz imaging Nondestructive detection Agriculture product quality Stored grain quality 光谱学与光谱分析
2014, 34(8): 2047
