经过二十年的发展, 太赫兹光谱技术已经在生物医疗、 工业质检、 **安全、 新材料研发等多个领域证明了其强大的应用潜力, 然而传统太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)对飞秒激光器的依赖, 严重限制了太赫兹技术在实际工业领域中的应用, 近年来, 以商业成熟的中红外激光混频作为产生与探测机制的太赫兹频域光谱技术(THz-FDS), 凭借其高集成度、 低成本以及高分辨率等适用于实际应用的特点得到了广泛的研究关注。 但是, 作为新型光谱技术, THz-FDS的数据处理算法与传统THz-TDS相比仍处于起步阶段, 此前所开展的物质表征研究大多局限于信号幅值的利用, 而其相干探测机制所蕴含的太赫兹波相位信息并未得到充分挖掘, 与相位信息紧密相关的样品折射率、 介电常数、 极化率等关键参数因此无法准确获取。 从THz-FDS的相干探测原理出发, 结合实测数据, 详细阐述了太赫兹波相位信息与THz-FDS原始光电流数据周期振荡之间的联系, 建立了由原始光电流数据振荡周期求取样品折射率的理论模型。 在此基础上, 指出了传统零频基点求取折射率方法在低频段表现欠佳的原因, 提出了所改进的双基点折射率求取算法。 为了验证所提出的折射率测定方法的可靠性, 选取了在太赫兹波段应用广泛的聚合物聚四氟乙烯作为表征对象, 制备了厚度不同的多个样片, 对所有样品测定折射率的结果为1.456±0.006, 不同样片间折射率的测量不确定度仅为0.5%, 且平均值与前期报道值吻合, 充分验证了该方法复现性。 此外, 选取其中一枚样片考察了实验参数设置变化对折射率测定结果的影响, 使用THz-FDS多种积分时间和采样步长的设置组合采集原始光电流数据, 结果显示实验参数设置对折射率测定结果没有显著影响, 验证了算法的鲁棒性。 提出的折射率测定方法丰富了太赫兹频域光谱系统的表征参数, 结合频域光谱系统相比传统时域光谱系统在工业应用方面的优势, 该方法对太赫兹光谱技术的实际应用发展具有重要意义。

奶粉富含人体所需的五大营养物质, 是婴幼儿主要的营养来源之一, 奶粉中的营养成分对婴幼儿的生长发育具有重要影响, 除乳糖外的糖类含量超标可能对婴幼儿健康产生不良影响。 由于奶粉成分复杂, 目前的色谱法和近红外光谱法检测技术都难以满足奶粉糖分快速无损检测的要求, 因此亟须探索一种奶粉中葡萄糖、 蔗糖含量快速无损检测方法。 太赫兹波对不同大分子物质的吸收峰具有“指纹”特性, 可利用该特性对不同的大分子物质进行识别。 应用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)并结合化学计量学方法对奶粉中葡萄糖、 蔗糖两种糖分的定性定量检测方法进行了研究。 实验装置采用TAS7500TS太赫兹光谱系统, 实验样品为不含糖的婴幼儿奶粉和纯度大于99%的葡萄糖、 蔗糖晶体及不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、 奶粉-蔗糖混合物, 实验分别采集了3种纯品样品及15种不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、 奶粉-蔗糖混合物样品的太赫兹时域信号, 每个样品采集三次并取平均值作为其时域光谱信号, 经快速傅里叶变换(FFT)得到各样品的太赫兹频域信号, 再根据Dorney提出的光学参数提取公式计算得到各样品的吸收系数谱和折射率谱。 最后分别基于两组混合物样品的吸收系数谱和折射率谱数据, 采用偏最小二乘法(PLS)建立相应的定量分析模型, 校正集和预测集样品比例为2∶1。 实验结果表明, 奶粉在太赫兹波段无明显特征吸收峰, 葡萄糖和蔗糖分别在1.45, 1.8, 1.98, 2.7 THz和1.5, 1.9, 2.6 THz频率处有较强的特征吸收峰, 可根据两种物质的太赫兹指纹特征峰进行定性分析。 不同梯度浓度的两组混合物的整体吸收峰位置与葡萄糖、 蔗糖纯品太赫兹吸收峰位置基本一致, 具有稳定的吸收特性。 基于吸收系数谱和折射率谱数据建立偏最小二乘法模型, 均可实现奶粉中葡萄糖和蔗糖的定量分析, 且由折射率谱建立的葡萄糖、 蔗糖定量回归模型效果均优于由吸收系数谱建立的模型效果, 其中, 奶粉-葡萄糖混合物中葡萄糖含量PLS模型的校正集相关系数(Rc)及均方根误差(RMSEC)分别为0.99和0.18%, 预测集RP及RMSEP分别为0.96和0.66%, 奶粉-蔗糖混合物中蔗糖含量PLS模型的校正集Rc及RMSEC分别为0.96和0.55%, 预测集RP及RMSEP分别为0.99和0.25%, 葡萄糖和蔗糖定量模型的预测效果均较为理想。 研究结果表明THz-TDS技术可有效用于奶粉中葡萄糖和蔗糖定性定量分析, 为运用THz-TDS技术开展奶粉掺假及品质快速检测方法研究提供参考。

测量了高纯拉西地平(98%)和拉西地平口服药片(2%)0.5~1.8 THz的太赫兹反射时域信号, 并分别提取出二者的吸收谱和折射率谱。 通过将纯样品的吸收峰位与CASTEP晶体软件计算得到的吸收线位置进行比较, 并用Lorentz线型函数对其中位置相近的吸收峰进行拟合, 得到了拉西地平的指纹谱, 并从实验上确定了拉西地平的六个特征频率, 这些频率分别为0.62, 0.78, 1.07, 1.28, 1.63和1.76 THz； 由于口服药片中添加了其他大分子物质作为辅料, 这些物质带来的吸收本底会对拉西地平的特征峰的识别造成干扰, 因此, 特征吸收峰数量减少至四个, 它们分别是0.62, 0.78, 1.28和1.63 THz； 另外, 纯样品和口服药片的折射率谱存在较大差异, 这也与口服药中添加的辅料有关。 尽管实际的拉西地平口服药片中含有的拉西地平的成分很低, 但是, 太赫兹指纹谱依然可以将拉西地平的特征频率识别出来。 因此, 太赫兹时域光谱技术对拉西地平药品的成分检测是十分有效的。

利用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对食品添加剂丁基羟基茴香醚(BHA)及其与聚乙烯 不同配比的混合物进行了检测,获得了其在0.2～2.6 THz波段的吸收谱和折射率谱。实验结果 表明:此波段内该样品有3个明显的吸收峰,分别位于0.64、1.14、1.81 THz, 该指纹谱可用 于THz波段该物质的检测与识别。对BHA混合物的太赫兹光谱进行了最小二乘法分析,结果表明 太赫兹吸收系数与BHA质量分数的相关系数大于0.98。用密度泛函理论对单分子丁基羟基茴香 醚进行了数值计算,表明太赫兹吸收峰与分子构型和分子内部运动有关。

利用改进的马赫-曾德尔干涉仪在实验上测出了相干场(589.6 nm)作用下钠原子蒸汽介质在589.0 nm附近的探测谱和折射率谱, 并针对拉曼场驱动的四能级理论模型给出了相应的理论曲线。 此项实验结果为验证原子的相干性理论及实现介质的无吸收、 高折射率的可能性提供了可靠的实验依据。

运用湍流大气的Andrews折射率谱近似模型从理论上分析了大气成像系统的光学传递函数并研究了有限湍流尺度(湍流内、外尺度)对湍流大气中成像系统光学分辨率的影响。结果表明应该考虑湍流尺度对大气系统成像的作用。采用近似Andrews折射率谱模型所得结果与采用纯指数谱计算结果有明显差别。