發(fā)布時(shí)間：2019-11-26 12:24

【摘要】：利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)測(cè)試固體樣品,獲取該樣品的太赫茲吸收譜后對(duì)其進(jìn)行定量及定性分析是太赫茲應(yīng)用的一個(gè)重要方面。目前太赫茲吸收譜已成功用于被測(cè)樣品的定性分析。然而,在傳統(tǒng)定量分析中,由樣品顆粒引起的太赫茲波散射而形成的吸收譜基線被忽略,導(dǎo)致基于傳統(tǒng)吸收譜的定量分析誤差較大。要想提高基于吸收譜的定量分析精度必須降低或消除吸收譜中的散射效應(yīng)。本文系統(tǒng)地分析了產(chǎn)生散射的多個(gè)因素,包括樣品的粒度、待測(cè)成分與基質(zhì)間的折射率差異及顆粒致密度。分別采用吸收性成分(谷氨酰胺、蘇氨酸和組氨酸)、不吸收性成分(食鹽、面粉、蔗糖),設(shè)計(jì)了不同顆粒度、不同折射率及不同壓力壓制下的實(shí)驗(yàn)樣品,利用透射式太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(terahertz time-domain spectroscopy, THz-TDS)獲得樣品在0.3-2.6 THz的吸收譜和折射率譜。將上述因素量化成太赫茲吸收譜的“基線”,針對(duì)由于樣品顆粒散射引起的吸收譜“基線”問(wèn)題開(kāi)展了研究,主要工作和成果包括以下幾個(gè)方面：1)系統(tǒng)分析了太赫茲光譜中產(chǎn)生散射的多個(gè)因素,包括樣品的粒度、待測(cè)成分與基質(zhì)間的折射率差異及顆粒致密度。分別采用吸收性成分、不吸收性成分,設(shè)計(jì)了不同顆粒度、不同折射率、及不同壓制壓力(致密度)下的實(shí)驗(yàn)樣品。結(jié)合散射理論及大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：對(duì)同種材料(折射率相同)而言,散射強(qiáng)度與樣品顆粒度之間近似滿足指數(shù)關(guān)系;顆粒度相同的情況下,折射率越大的樣品散射強(qiáng)度越強(qiáng),且利用適當(dāng)?shù)膲毫褐茦悠稍龃髽悠肺兆V的有效頻段寬度,特別是針對(duì)在高頻段對(duì)THz波有特征吸收的物質(zhì)而言,采用壓制后的樣片能更準(zhǔn)確的反映出該樣品在THz波段的吸收特性,但壓制樣片時(shí)的壓力值也要選擇適當(dāng),壓力過(guò)大會(huì)破壞樣品顆粒內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu),導(dǎo)致吸收特性出現(xiàn)異常。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果為樣片制備及后續(xù)建立太赫茲波段散射效應(yīng)模型提供了重要參考。2)結(jié)合現(xiàn)有基線擬合思路及上述散射因素分析結(jié)論,提出一種基于數(shù)據(jù)及粒度因素的散射基線擬合方法。該方法在樣片參數(shù)部分未知的情況下,通過(guò)分析樣片從THz-TDS系統(tǒng)獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用樣品的本征吸收與散射吸收與頻率的不同依賴關(guān)系,利用迭代計(jì)算將吸收譜中的本征吸收峰信息從散射吸收背景中提取分離,最終形成表征物質(zhì)結(jié)構(gòu)特性的本征吸收譜。利用該方法擬合的基線斜率與樣片粒度大小成正比,能夠部分消除粒度因素對(duì)太赫茲吸收譜中散射損耗的影響。利用該方法對(duì)測(cè)得的吸收譜進(jìn)行基線擬合后,由修正吸收譜進(jìn)行定量分析所得的各氨基酸濃度均較基于傳統(tǒng)吸收譜定量計(jì)算所得濃度值更接近其真實(shí)值,定量分析的相對(duì)誤差以及全局誤差均有減小。3)結(jié)合獨(dú)立散射理論假設(shè)以及對(duì)散射影響較大的樣品粒度及折射率因素,提出一種基于Mie氏理論的散射基線擬合方法。該法將實(shí)驗(yàn)獲取的傳統(tǒng)吸收譜中的消光損耗分解為散射損耗和本征吸收損耗兩部分,并結(jié)合樣片粒度以及折射率信息計(jì)算出樣片的散射截面,利用散射截面擬合出傳統(tǒng)吸收譜中的散射基線,最終將其從測(cè)得的吸收譜中移除,得到樣品的修正吸收譜。該法解決了上述基于數(shù)據(jù)及粒度因素的散射基線擬合方法只適用于吸收性物質(zhì)的吸收譜基線擬合問(wèn)題,無(wú)論樣品顆粒是否對(duì)太赫茲波有本征吸收,都可以使用基于Mie氏理論的散射基線擬合方法進(jìn)行吸收譜中的散射損耗計(jì)算。利用該法對(duì)單質(zhì)氨基酸傳統(tǒng)吸收譜中的散射基線進(jìn)行擬合修正后,修正譜的特征吸收峰與濃度的線性擬合優(yōu)度整體高于傳統(tǒng)譜的特征吸收峰與濃度的線性擬合優(yōu)度。通過(guò)混合氨基酸樣片定量分析驗(yàn)證了該法可以有效改善基于傳統(tǒng)吸收譜定量分析誤差較低的問(wèn)題,由修正后的吸收譜進(jìn)行定量分析的全局誤差較之前有所降低,該法能夠提高利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)氨基酸混合物進(jìn)行定量分析的精度。
【圖文】：

在物理學(xué)電磁波譜中位于微波和紅外波之間存在著一段＂空白＂，由于逡逑此波段頻率量級(jí)為１0ｉ２（１Ｔ），因此被稱為太赫茲（ＴＨｚ）波段（Ｏ．ｌＴＨｚ－ｌＯＴＨｚ）。逡逑如圖１－１所示。該波段屬于電子學(xué)向光子學(xué)過(guò)渡的特殊區(qū)域，也是宏觀經(jīng)典逡逑理論向微觀量子理論過(guò)渡的交叉區(qū)域，具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值Ｗ。逡逑早期由于相干太赫茲源和相應(yīng)的有效探測(cè)技術(shù)發(fā)展緩慢，導(dǎo)致人們對(duì)ＴＨｚ波逡逑段的福射性質(zhì)認(rèn)識(shí)極其有限，該波段長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人涉及，一度被稱為電磁波譜逡逑中的＂了化Ｇａｐ＂，直到上世紀(jì)９０年代，基于超快激光脈沖的相干ＴＨｚ福射逡逑產(chǎn)生技術(shù)出現(xiàn)，才使這一電磁波段的研究受到普遍重視Ｐ１。逡逑—蠻邋ｍ．ｉ邐１０＊邋ｉＷ邋１０，１０＊邋１０，，邋１０＂邋１０＂邋１0｜：邋１０＂邋１０＂陽(yáng)＂ｌ0ｗ邋１0｜，邋１０＂邋１０＂邋１０，邋１０。逡逑光巧巧邐Ｉ杯＂占到…＂Ｔ＂＇瞬Ｉ＂邋Ｉ、Ｘ．邋口口W 逡逑．－＾邋＊邋＇邐邐邋邐逡逑巧巧（ＴＨ邋化邐Ｖ邋。；１邐邐１；。邐１？－。逡逑巧長(zhǎng)卿＞：邐叩邐甲逡逑巧巧邐ｋ＝ｌ／Ｘ邋￥邐邐邐巧．０逡逑用巧（ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｓＩ：邋Ｔ邋＊邋ｌ．＇Ｖ邋邐邋＊ｉ？邐邋0ｉ，逡逑光子能邋Ｉ邋ＨＨ．Ｖ邋＞；邋Ｅ邋＝邋／ｔｖ邐邐爭(zhēng)邋Ｉ邋邐逡逑圖１－１邋ＴＨｚ液段在電蹈波譜中的位舌示意圍逡逑太赫茲是一個(gè)富有特色且全新的福射源

光電導(dǎo)天線是最早用于探測(cè)ＴＨｚ脈沖的相干探測(cè)工具Ｐｙ。光電導(dǎo)采樣方逡逑法探測(cè)太赫茲技術(shù)，可Ｗ看成是光電導(dǎo)方法產(chǎn)生太赫茲的逆過(guò)程。光電導(dǎo)取逡逑樣方法探測(cè)太赫茲的實(shí)驗(yàn)裝置如圖２－２。它的優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)頻帶寬，最高巧達(dá)逡逑６０ＴＨＺ。但是受到偶極子共振特性的影響，探測(cè)到的ＴＨｚ脈沖信號(hào)會(huì)產(chǎn)生失逡逑真現(xiàn)象，并且由于探測(cè)時(shí)產(chǎn)生的載流子壽命較長(zhǎng)，導(dǎo)致探測(cè)帶寬較窄。逡逑？光廟點(diǎn)逡逑Ｒ—拍人這邐太《夢(mèng)拍Ｍ逡逑金Ｈ導(dǎo)ａ逡逑￣？—逡逑圖２－２光電導(dǎo)取樣探n,太赫茲的實(shí)驗(yàn)裝Ｓ逡逑在電光晶體中．探測(cè)光與太赫茲波會(huì)發(fā)生線性電光效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上，逡逑科學(xué)家們研究出了自由空間電光采樣技術(shù)ＩＷ。線性電光效應(yīng)又被稱為帕克爾逡逑效應(yīng)，即電光晶體的折射率會(huì)隨外加電場(chǎng)的變化而成比例改變的現(xiàn)象。這種逡逑方法的時(shí)間響應(yīng)更短、探測(cè)帶寬更寬、探測(cè)靈敏度和信噪比更強(qiáng)。自由空間逡逑＾電光取樣義法c〔馓兆鵲木嚀迨笛樽爸萌繽跡玻場(chǎng)ｅ義希懾義

本文編號(hào)：2566148