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
太赫兹研究中心, 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
作为生活中最常见的液体,液态水在学术研究中具有重要的地位。但由于水对太赫兹辐射具有极大的吸收系数,长期以来它并不被视为一种合适的太赫兹辐射源。不过近年来已经有研究团队在实验上证实了飞秒激光激励液态水产生太赫兹波的可行性,并且针对这一现象机制的相关理论模型也已被提出。由此可见,对该领域的现有研究成果进行总结,对水乃至其他液体作为辐射源产生太赫兹波的研究是具有重要意义的。对液态水中太赫兹波产生这一研究领域近些年的发展进行概述,包括两种不同的液态水辐射源系统方案的实验设计、与产生的太赫兹波能量有关的因素、相关理论模型的设计思路。最后结合自身理解与当前的研究成果,对这一领域的未来发展方向进行展望。
太赫兹技术 非线性光学 液态水 光致电离 太赫兹波产生 飞秒激光 中国激光
2021, 48(19): 1914001
The Institute of Optics, University of Rochester, Rochester, NY 14627, USA
Frontiers of Optoelectronics
2021, 14(1): 37–63
Author Affiliations
Abstract
1 Beijing Institute of Technology, School of Optics and Photonics, Beijing Key Laboratory for Precision Optoelectronic Measurement Instruments and Technology, Beijing, China
2 Chinese Academy of Sciences, Shenzhen Institutes of Advanced Technology, Shenzhen, China
3 Capital Normal University, Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Technology and Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics (MoE), Department of Physics, Beijing, China
4 University of Rochester, Institute of Optics, Rochester, New York, United States
The fundamental properties of laser-induced plasma in liquid water, such as the ultrafast electron migration and solvation, have not yet been clarified. We use 1650-nm femtosecond laser pulses to induce the plasma in a stable free-flowing water film under the strong field ionization mechanism. Moreover, we adopt intense terahertz (THz) pulses to probe the ultrafast temporal evolution of quasifree electrons of the laser-induced plasma in water on the subpicosecond scale. For the first time, the THz wave absorption signal with a unique two-step decay characteristic in time domain is demonstrated, indicating the significance of electron solvation in water. We employ the Drude model combined with the multilevel intermediate model and particle-in-a-box model to simulate and analyze the key information of quasifree electrons, such as the frequency-domain absorption characteristics and solvation ratio. In particular, we observe that the solvation capacity of liquid water decreases with the increase of pumping energy. Up to ～50 % of quasifree electrons cannot be captured by traps associated with the bound states as the pumping energy increases to 90 μJ / pulse. The ultrafast electron evolution in liquid water revealed by the optical-pump/THz-probe experiment provides further insights into the formation and evolution mechanisms of liquid plasma.
terahertz liquid water plasma solvation Advanced Photonics
2021, 3(1): 015002
1 国防科技大学 气象海洋学院, 江苏 南京 211101
2 94923 部队
构建了一种基于毫米波云雷达多普勒谱的过冷水滴、冰晶、雪花的识别算法, 通过对全局谱的谱峰识别, 分离出了不同类型粒子的局部谱, 得出了不同类型粒子的反射率因子、多普勒速度、谱宽等谱矩参数及含水量.通过对一次降雪过程Ka波段测云雷达多普勒谱的分析, 结果表明: (1)混合相云中, 由于雪花对毫米波雷达总回波强度贡献较大, 基于总雷达反射率因子直接反演液态水含量会忽略过冷水滴的贡献, 造成云中含水量的低估; (2)多普勒谱反演得到过冷水的液态水路径(LWP)与微波辐射计反演结果一致性较好, 说明毫米波雷达能够有效估量云中液态水路径; (3)冰雪晶粒子在过冷水层(SWL)中下落速度随反射率因子的变化梯度(dV/dZ)比在冰雪层(ISL)中大,这主要是因为冰雪晶粒子在SWL中通过凇附增长比在ISL中通过碰并增长要增长得更快.
毫米波雷达 多普勒速度谱 过冷水滴 微波辐射计 液态水路径 millimeter-wave radar Doppler spectrum supercooled water microwave radiometer liquid water path(LWP) 红外与毫米波学报
2019, 38(2): 02245
1 中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
随着半导体激光器的发展, 可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术有了巨大的进步, 应用领域迅速扩大。已经有超过1000种TDLAS仪器应用于连续排放监测以及工业过程控制等领域, 每年全球出售的TDLAS气体检测仪器占据了红外气体传感检测仪器总数的5%~10%。运用TDLAS技术, 已经完成了几十种气体分子的高选择性、高灵敏度的连续在线测量, 实现了不同领域气体浓度、温度、流速、压力等参数的高精度探测, 为各领域的发展提供了重要的技术保障。本文综述了TDLAS技术气体检测的原理以及最近的应用研究进展, 主要从大气环境监测、工业过程监测、深海溶解气体探测、人体呼吸气体测量、流场诊断以及液态水测量六个应用领域进行介绍。
可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS) 大气环境监测 工业过程检测 呼吸气检测 流场诊断 深海溶解气体探测 液态水测量
1 中国科学院遥感与数字地球研究所数字地球重点实验室, 北京 100094
2 中国科学院遥感与数字地球研究所遥感科学国家重点实验室, 北京 100101
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 北京师范大学地理学与遥感科学学院, 北京 100875
被动微波遥感具有全天候工作的能力, 但是在不同的大气状态下被动微波遥感受大气的影响不同。 为了研究大气对高级微波扫描辐射计AMSR-E (advanced microwave scanning radiometer-earth observing system)入瞳亮温的影响, 分别采用晴空和典型层云大气数据作为微波辐射传输模型的输入, 进行大气微波辐射信号的模拟工作并分析大气的影响。 结果表明晴空下大气水汽是引起大气辐射的主要因素, 晴空条件下大气对典型被动微波传感器低频的(<18.7 GHz)透过率大于0.98, 在整个辐射传输过程中可以忽略不计。 36.5和89 GHz的大气透过率在晴空下分别为0.896和0.756, 在用微波高频通道进行陆表参数反演时需进行大气水汽影响的校正; 云覆盖条件或者阴天情况下云中液态水是引起大气辐射的主要因素, 典型层云覆盖下大气的透过率在10.7, 18.7和36.5 GHz分别为0.942, 0.828和0.605。 与晴空相比, 由层云中液态水引起的大气下行辐射的增量在36.5 GHz最大达到75.365 K。 表明在云覆盖时大气影响的校正过程中云层的影响是校正重点。 最后利用大气探空数据计算了内蒙古海拉尔地区2013年夏季7月份的大气透过率, 结果显示C、 X波段的大气透过率接近1, 89 GHz受水汽影响较大, 其地球表层大气透过率不超过0.7。 在内蒙古海拉尔地区, 夏季大气透过率具有较为稳定的值, 但是随着局部水汽的变化具有0.1左右的波动。
被动微波遥感 辐射传输模型 大气透过率 云中液态水 大气校正 Passive microwave remote sensing Radiative transfer model Atmospheric transmissivity Cloud liquid water Atmospheric correction
1 中国石油大学（华东）物理科学与技术学院, 青岛266555
2 吉林大学物理学院, 长春 130023
3 中国人民解放军94362部队90分队, 青岛 266111
通过内标法测量了液体水的O-H弯曲振动模对514.5 nm激发光的绝对拉曼散射截面, 由峰高强度比和积分面积比确定该拉曼带的散射截面分别为5.14×10-32 cm2 molecule-1Sr-1和4.51×10-31 cm2 molecule-1Sr-1, 并对实验误差进行了分析。
液体水 拉曼散射截面 内标法 liquid water raman scattering cross section internal standard method
