太赫兹时域光谱测试中的样品散射问题研究
发布时间：2019-11-26 12:24
【摘要】：利用太赫兹时域光谱系统测试固体样品,获取该样品的太赫兹吸收谱后对其进行定量及定性分析是太赫兹应用的一个重要方面。目前太赫兹吸收谱已成功用于被测样品的定性分析。然而,在传统定量分析中,由样品颗粒引起的太赫兹波散射而形成的吸收谱基线被忽略,导致基于传统吸收谱的定量分析误差较大。要想提高基于吸收谱的定量分析精度必须降低或消除吸收谱中的散射效应。本文系统地分析了产生散射的多个因素,包括样品的粒度、待测成分与基质间的折射率差异及颗粒致密度。分别采用吸收性成分(谷氨酰胺、苏氨酸和组氨酸)、不吸收性成分(食盐、面粉、蔗糖),设计了不同颗粒度、不同折射率及不同压力压制下的实验样品,利用透射式太赫兹时域光谱技术(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)获得样品在0.3-2.6 THz的吸收谱和折射率谱。将上述因素量化成太赫兹吸收谱的“基线”,针对由于样品颗粒散射引起的吸收谱“基线”问题开展了研究,主要工作和成果包括以下几个方面：1)系统分析了太赫兹光谱中产生散射的多个因素,包括样品的粒度、待测成分与基质间的折射率差异及颗粒致密度。分别采用吸收性成分、不吸收性成分,设计了不同颗粒度、不同折射率、及不同压制压力(致密度)下的实验样品。结合散射理论及大量实验结果得出以下结论：对同种材料(折射率相同)而言,散射强度与样品颗粒度之间近似满足指数关系;颗粒度相同的情况下,折射率越大的样品散射强度越强,且利用适当的压力压制样片可增大样品吸收谱的有效频段宽度,特别是针对在高频段对THz波有特征吸收的物质而言,采用压制后的样片能更准确的反映出该样品在THz波段的吸收特性,但压制样片时的压力值也要选择适当,压力过大会破坏样品颗粒内部的晶格结构,导致吸收特性出现异常。大量实验结果为样片制备及后续建立太赫兹波段散射效应模型提供了重要参考。2)结合现有基线拟合思路及上述散射因素分析结论,提出一种基于数据及粒度因素的散射基线拟合方法。该方法在样片参数部分未知的情况下,通过分析样片从THz-TDS系统获取的实验数据,利用样品的本征吸收与散射吸收与频率的不同依赖关系,利用迭代计算将吸收谱中的本征吸收峰信息从散射吸收背景中提取分离,最终形成表征物质结构特性的本征吸收谱。利用该方法拟合的基线斜率与样片粒度大小成正比,能够部分消除粒度因素对太赫兹吸收谱中散射损耗的影响。利用该方法对测得的吸收谱进行基线拟合后,由修正吸收谱进行定量分析所得的各氨基酸浓度均较基于传统吸收谱定量计算所得浓度值更接近其真实值,定量分析的相对误差以及全局误差均有减小。3)结合独立散射理论假设以及对散射影响较大的样品粒度及折射率因素,提出一种基于Mie氏理论的散射基线拟合方法。该法将实验获取的传统吸收谱中的消光损耗分解为散射损耗和本征吸收损耗两部分,并结合样片粒度以及折射率信息计算出样片的散射截面,利用散射截面拟合出传统吸收谱中的散射基线,最终将其从测得的吸收谱中移除,得到样品的修正吸收谱。该法解决了上述基于数据及粒度因素的散射基线拟合方法只适用于吸收性物质的吸收谱基线拟合问题,无论样品颗粒是否对太赫兹波有本征吸收,都可以使用基于Mie氏理论的散射基线拟合方法进行吸收谱中的散射损耗计算。利用该法对单质氨基酸传统吸收谱中的散射基线进行拟合修正后,修正谱的特征吸收峰与浓度的线性拟合优度整体高于传统谱的特征吸收峰与浓度的线性拟合优度。通过混合氨基酸样片定量分析验证了该法可以有效改善基于传统吸收谱定量分析误差较低的问题,由修正后的吸收谱进行定量分析的全局误差较之前有所降低,该法能够提高利用太赫兹时域光谱技术对氨基酸混合物进行定量分析的精度。
【图文】：
在物理学电磁波谱中位于微波和红外波之间存在着一段＂空白＂，由于逡逑此波段频率量级为１0ｉ２（１Ｔ），因此被称为太赫兹（ＴＨｚ）波段（Ｏ．ｌＴＨｚ－ｌＯＴＨｚ）。逡逑如图１－１所示。该波段属于电子学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典逡逑理论向微观量子理论过渡的交叉区域，具有重要的科学价值和应用价值Ｗ。逡逑早期由于相干太赫兹源和相应的有效探测技术发展缓慢，导致人们对ＴＨｚ波逡逑段的福射性质认识极其有限，该波段长时间无人涉及，一度被称为电磁波谱逡逑中的＂了化Ｇａｐ＂，直到上世纪９０年代，基于超快激光脉冲的相干ＴＨｚ福射逡逑产生技术出现，才使这一电磁波段的研究受到普遍重视Ｐ１。逡逑—蛮邋ｍ．ｉ逦１０＊邋ｉＷ邋１０，１０＊邋１０，，邋１０＂邋１０＂邋１0｜：邋１０＂邋１０＂阳＂ｌ0ｗ邋１0｜，邋１０＂邋１０＂邋１０，邋１０。逡逑光巧巧逦Ｉ杯＂占到…＂Ｔ＂＇瞬Ｉ＂邋Ｉ、Ｘ．邋口口W 逡逑．－＾邋＊邋＇逦逦邋逦逡逑巧巧（ＴＨ邋化逦Ｖ邋。；１逦逦１；。逦１？－。逡逑巧长卿＞：逦叩逦甲逡逑巧巧逦ｋ＝ｌ／Ｘ邋￥逦逦逦巧．０逡逑用巧（ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｓＩ：邋Ｔ邋＊邋ｌ．＇Ｖ邋逦邋＊ｉ？逦邋0ｉ，逡逑光子能邋Ｉ邋ＨＨ．Ｖ邋＞；邋Ｅ邋＝邋／ｔｖ逦逦争邋Ｉ邋逦逡逑图１－１邋ＴＨｚ液段在电蹈波谱中的位舌示意围逡逑太赫兹是一个富有特色且全新的福射源
光电导天线是最早用于探测ＴＨｚ脉冲的相干探测工具Ｐｙ。光电导采样方逡逑法探测太赫兹技术，可Ｗ看成是光电导方法产生太赫兹的逆过程。光电导取逡逑样方法探测太赫兹的实验装置如图２－２。它的优点是探测频带宽，最高巧达逡逑６０ＴＨＺ。但是受到偶极子共振特性的影响，探测到的ＴＨｚ脉冲信号会产生失逡逑真现象，并且由于探测时产生的载流子寿命较长，导致探测带宽较窄。逡逑？光庙点逡逑Ｒ—拍人这逦太《梦拍Ｍ逡逑金Ｈ导ａ逡逑￣？—逡逑图２－２光电导取样探n,太赫兹的实验装Ｓ逡逑在电光晶体中．探测光与太赫兹波会发生线性电光效应，在此基础上，逡逑科学家们研究出了自由空间电光采样技术ＩＷ。线性电光效应又被称为帕克尔逡逑效应，即电光晶体的折射率会随外加电场的变化而成比例改变的现象。这种逡逑方法的时间响应更短、探测带宽更宽、探测灵敏度和信噪比更强。自由空间逡逑＾电光取样义法c〔馓兆鹊木咛迨笛樽爸萌缤迹玻场ｅ义希慑义
本文编号：2566148
【图文】：
在物理学电磁波谱中位于微波和红外波之间存在着一段＂空白＂，由于逡逑此波段频率量级为１0ｉ２（１Ｔ），因此被称为太赫兹（ＴＨｚ）波段（Ｏ．ｌＴＨｚ－ｌＯＴＨｚ）。逡逑如图１－１所示。该波段属于电子学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观经典逡逑理论向微观量子理论过渡的交叉区域，具有重要的科学价值和应用价值Ｗ。逡逑早期由于相干太赫兹源和相应的有效探测技术发展缓慢，导致人们对ＴＨｚ波逡逑段的福射性质认识极其有限，该波段长时间无人涉及，一度被称为电磁波谱逡逑中的＂了化Ｇａｐ＂，直到上世纪９０年代，基于超快激光脉冲的相干ＴＨｚ福射逡逑产生技术出现，才使这一电磁波段的研究受到普遍重视Ｐ１。逡逑—蛮邋ｍ．ｉ逦１０＊邋ｉＷ邋１０，１０＊邋１０，，邋１０＂邋１０＂邋１0｜：邋１０＂邋１０＂阳＂ｌ0ｗ邋１0｜，邋１０＂邋１０＂邋１０，邋１０。逡逑光巧巧逦Ｉ杯＂占到…＂Ｔ＂＇瞬Ｉ＂邋Ｉ、Ｘ．邋口口W 逡逑．－＾邋＊邋＇逦逦邋逦逡逑巧巧（ＴＨ邋化逦Ｖ邋。；１逦逦１；。逦１？－。逡逑巧长卿＞：逦叩逦甲逡逑巧巧逦ｋ＝ｌ／Ｘ邋￥逦逦逦巧．０逡逑用巧（ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｓＩ：邋Ｔ邋＊邋ｌ．＇Ｖ邋逦邋＊ｉ？逦邋0ｉ，逡逑光子能邋Ｉ邋ＨＨ．Ｖ邋＞；邋Ｅ邋＝邋／ｔｖ逦逦争邋Ｉ邋逦逡逑图１－１邋ＴＨｚ液段在电蹈波谱中的位舌示意围逡逑太赫兹是一个富有特色且全新的福射源
光电导天线是最早用于探测ＴＨｚ脉冲的相干探测工具Ｐｙ。光电导采样方逡逑法探测太赫兹技术，可Ｗ看成是光电导方法产生太赫兹的逆过程。光电导取逡逑样方法探测太赫兹的实验装置如图２－２。它的优点是探测频带宽，最高巧达逡逑６０ＴＨＺ。但是受到偶极子共振特性的影响，探测到的ＴＨｚ脉冲信号会产生失逡逑真现象，并且由于探测时产生的载流子寿命较长，导致探测带宽较窄。逡逑？光庙点逡逑Ｒ—拍人这逦太《梦拍Ｍ逡逑金Ｈ导ａ逡逑￣？—逡逑图２－２光电导取样探n,太赫兹的实验装Ｓ逡逑在电光晶体中．探测光与太赫兹波会发生线性电光效应，在此基础上，逡逑科学家们研究出了自由空间电光采样技术ＩＷ。线性电光效应又被称为帕克尔逡逑效应，即电光晶体的折射率会随外加电场的变化而成比例改变的现象。这种逡逑方法的时间响应更短、探测带宽更宽、探测灵敏度和信噪比更强。自由空间逡逑＾电光取样义法c〔馓兆鹊木咛迨笛樽爸萌缤迹玻场ｅ义希慑义
本文编号：2566148
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/jckxbs/2566148.html
