太赫兹光谱技术简单介绍及应用详解_太赫兹与物质的相互作用

1、太赫兹介绍

太赫兹（THz）辐射通常指的是频率在0．1THz一10THz（波长在30m～3mm）之间的电磁波，其波段在微波和红外光之问，属于远红外波段．有着丰富的物理和化学信息。同时，THz辐射的优点决定了它在很多方面可以成为傅立叶变换红外光谱技术和x射线技术的互补技术，使THz电磁波在很多基础研究领域、工业应用及军事应用领域有相当重要的应用。随着THz技术的发展，THz技术的应用领域也在不断地拓宽，它在生物学、医学、微电子学、农业及其它领域也有很大的应用潜力。目前，世界上许多研究机构相继开展了THz技术的深入研究，并且已取得了很多重要的进展。

THz脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质：

（1）瞬态性：THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地进行时间分辨的研究。而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪音的干扰。目前，辐射强度测量的信噪比可大于l0m。

（2）宽带性：THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可覆盖从GHz至几十THz的范围。

（3）相干性：THz的相干性源于其产生机制，它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生．或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频变换产生。

（4）低能性：THz光子的能量只有毫电子伏特，因此不容易破坏被检测的物质。

2、太赫兹与物质的相互作用

1）基本原理

目前研究太赫兹和物质相互作用一般采用里得伯原子模型（Rydbergatom），该模型中原子的电子具有很高的主量子数。

图1所示为只有一个价电子的里德伯原子模型的示意图。

图1里德伯原子模型简图

里德伯原子模型采用波尔半径经典原子理论来　　描绘核外电子的运动，认为核外电子绕核运动，其角动量是量子化的。电子只能在量子化的特定轨道上运动，并且具有特定的量子化的能级。

相比于红外和可见光，太赫兹的频率很低．光子的能量也非常小。在里德伯原子模型中。如果主量子数n=lO0，电子离核的距离n2ao1m，对应的偶极矩dR=nZeaol0D，这个尺度比常见的极性分子CO和HO大了好几个数量级。此时的结合能En—lmeV，和太赫兹光子的能量相当。所以太赫兹光子适合于和大的偶极矩和小结合能特征的里德伯原子相互作用。

2）太赫兹与水的相互作用

由于水对开展太赫兹光谱的使用具有特别重要的的影响，所以，需要尽可能地详细研究水和太赫兹的相互作用圜。图2所示为水和冰在不同温度下太赫兹波段介电常数实部和虚部的谱分布。

图2水和冰在不同温度下太赫兹波段介电常数实部和虚部的谱分布

液态水的介电响应是由若干物理过程决定的，最主要的过程是由两种分子弛豫过程决定，一种是快弛豫过程（10fs弛豫时间），一种是慢弛豫过程（1Ops弛豫时间）。慢弛豫过程和转动动力学有关，快弛豫过程目前还没有研究清楚。另外水分子中强氢键相互作用也很明显。分子中的伸缩在5．6THz处有共振响应，并具有很宽的谱线宽度。

图3室温下，水的折射率谱和吸收系数谱

小编推荐：太赫兹时域光谱技术原理分析_太赫兹时域光谱技术的应用

如图3所示．太赫兹波段水的吸收效应非常明显，并且，太赫兹对水的吸收还有一个很重要的特点，就是随着温度的变化，水的太赫兹吸收系数会有明显的变化．其结果如图4所示。

图4温度对水太赫兹吸收系数的影响

3、太赫兹光谱技术应用

1）太赫兹光谱测量技术

在THz技术中．THz时域谱fTHz—TDS）是一种非常有效的测试手段。典型的THz时域谱实验系统主要是由超快脉冲激光器、THz发射元件、THz探测和时间延迟控制系统组成，如图5所示。来自超快激光器的具有飞秒脉宽的激光脉冲串列被分为两路。一路作为抽运光，激发THz发射元件产生THz电磁波。THz发射元件可以是利用光整流效应产生THz辐射的非线性光学晶体．也可以是利用光电导机制发射THz辐射的赫兹偶极天线。另一路作为探测光与THz脉冲汇合后共线通过THz探测元件。由于THz波的周期通常远大于探测光的脉宽，因此探测光脉冲通过的是一个被THz电场调制的接收元件。

图5THz时域光谱测量实验系统示意图

和THz脉冲的激发方式类似，检测技术也分为两种：

（1）使用电光（EO）晶体作为THz脉冲接收元件，这里利用了晶体的Pockels效应，即THz电场对探测光脉冲的偏振状态进行调制：

（2）使用半导体光电导赫兹天线作为THz接收元件，利用探测光在半导体上产生的光电流与THz驱动电场成正比的特性，测量THz脉冲的瞬间电场。延迟装置通过改变探测光与抽运光间的光程差，使探测光在不同的时刻对THz脉冲的电场强度进行取样测量。最后获得THz脉冲电场强度的时间波形。

对THz时间波形进行傅里叶变换，就可以得到THz脉冲的频谱。分别测量通过试样前后f或直接从试样激发的）THz脉冲波形．并对其频谱进行分析和处理，就可获得被测样品介电常数、吸收系数和载流子浓度等物理信息。

在传统的THz时域谱测量系统的基础上，加入对被测样品的调制．就形成了THz时域差异谱技术。应用此技术可实现对微米乃至亚微米量级厚度的薄膜进行介电常数的测量。THz时域光谱技术对材料的光学常数测量的精度可高于1％。由于许多大分子的振动能级或转动能级间的间距正好处于THz的频带范围．THz时域光谱技术在分析和研究大分子（质量数大于100的分子）方面具有广阔的应用前景。

2）太赫兹光谱分析技术

传统上，爆炸物的光谱分析技术主要是拉曼光谱分析技术。拉曼光谱技术是一种基于拉曼散射效应的光谱分析技术，可以根据分子的振动、转动信息来识别未知化合物。与常规化学分析技术相比，拉曼光谱技术具有无损、快速、准确度高等优点。

目前，军用炸药主要有以下几种类型：

（1）TNT，2，4，6一三硝基甲苯，磷状结晶片，淡黄色，分子式C7H5N3O6，既有强爆炸力（每英寸225万镑的爆炸力），又有高度灵活性（在185摄氏度下溶化，能浇铸成任何形状），有毒，在地雷等爆炸后会残留在土壤中；

（2）DNT，2，4一二硝基甲苯，分子式C7H6N204，是军用炸药的主要成分，蒸汽压力高于TNT。探测其蒸汽浓度可以发现隐藏的地雷或未爆炸的军火：

（3）HMX，环四次甲基四硝胺，俗称奥克托金，分子式C4H8N8O8，是生产RDX的副产品，由于爆炸速率极高而与TNT等混合作为形状填料：

（4）RDX，环三次甲基三硝胺，俗称黑索今或旋风炸药，分子式C3H6N6O6，通常用来与其他爆炸材料和可塑剂混合制成塑胶炸药：

（5）HNIW（CL一20），六硝基六氮杂异伍兹烷（2，4，6，8，10，l2一六硝基；2，4，6，8，10，12一六氮杂四环十二烷），分子式C6H6N12012，是迄今为止能量水平最高的高能量密度化合物。

在实际应用中，反射谱的应用场景是主要的应用场景，下列各图分别是拉曼反射光谱和THz反射光谱的测量数据。