1 首都师范大学 物理系，北京 100048
2 北京理工大学 光电学院，北京 100081
3 北京芯宸科技有限公司，北京 100029
4 北京航天计量测试技术研究所，北京 100076
伴随着6G 通信的发展，雷达遥感、检测成像等多个领域向太赫兹频段拓展，获取材料在该频段的介电常数显得愈发重要。本文基于NR 迭代法提取了太赫兹频率下样品的复介电常数，分析了迭代法的初值选取对提取结果的影响。在325~500 GHz 频段(Y 频段)搭建了一套由矢量网络分析仪(VNA)、扩频模块和四抛物面镜组成的8f 准光系统，实现散射参数S 2 1 的自由空间测量。由电磁波传输模型推导出复介电常数与S 2 1 之间的关系式， 利用迭代法提取出了特氟龙(Teflon)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)样品的复介电常数谱，与其他文献报道的结果一致，验证了系统和方法的有效性。
复介电常数 矢量网络分析仪 迭代法 太赫兹 自由空间法 complex permittivity Vector Network Analyzer iterative method terahertz free space method 太赫兹科学与电子信息学报
2023, 21(6): 759
1 燕山大学电气工程学院河北省测试计量技术及仪器重点实验室, 河北 秦皇岛 066004
2 首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
新型陶瓷纤维复合材料由短切氧化硅纤维及其胶合物经高温烧结得到的一种轻质多孔材料, 材料微观结构特性直接影响着宏观结构特性和功能特性。 该类材料的孔隙度分布在84%~95%之间, 微观孔径主要集中在100 μm范围内, 偶尔有少量纳米孔。 陶瓷纤维复合材料以其耐高温、 低密度、 高比强和抗烧蚀等优异性能在超高声速飞行器外层隔热部件得到应用, 但该类材料可能因为制作和装配的工艺水平等因素出现夹杂、 孔洞甚至大面积脱粘等现象。 由于陶瓷纤维复合材料结构与应用场景的特殊性使得常规的无损检测手段效果不佳, 而太赫兹(THz)技术作为一种新兴的无损检测技术, 在该类材料的无损检测具有很大的潜力, 可与常规检测技术形成互补。 针对陶瓷纤维复合材料构件粘接层缺陷检测问题, 研究了太赫兹时域信号和太赫兹层析成像方式对缺陷定位方法。 基于太赫兹时域光谱(THz-TDS)无损检测技术获取和对比试样中有粘接层缺陷和粘接层完好位置的时域波形的波形峰值和相位差异, 并经过反卷积滤波技术对时域波形进行处理, 定性分析时域波形与粘接层缺陷特性的关系, 宏观判断缺陷存在; 通过对太赫兹波段陶瓷纤维复合材料光学参数提取测定太赫兹波段的平均折射率为1.028, 进而分析粘接层缺陷的深度和厚度分别为18.4和0.28 mm, 与预置缺陷真实深度和厚度相比准确度分别为92%和90%。 但由于通过时域信号提取的平均折射率会给粘接层缺陷位置分析造成误差, 因此以太赫兹层析成像方式进一步估计缺陷的位置, 分析了太赫兹层析成像噪声来源以及对成像质量的影响并采用了双边滤波对层析成像降噪滤波, 基于太赫兹层析成像技术建立了位置评估模型, 获取了粘接层缺陷的厚度为0.26 mm, 较预置缺陷厚度的准确度为96%, 有效地完善了太赫兹检测技术对缺陷定位的形式, 实现了陶瓷纤维复合材料构件的粘接层缺陷的高精度定位表征。
陶瓷纤维复合材料 太赫兹时域光谱 反卷积滤波 太赫兹层析成像 双边滤波 Ceramic fiber composite materials Terahertz time-domain Spectroscopy Deconvolution filtering Terahertz tomography Bilateral filtering 光谱学与光谱分析
2022, 42(5): 1547
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics, Ministry of Education, Department of Physics, Capital Normal University, Beijing 100048, China
2 Department of Electronics and Information Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China
With the framework of exterior product, we investigate the relationship between composite multiscale entropy (CMSE) and refractive index and absorption coefficient by reanalyzing six concentrations of bovine serum albumin aqueous solutions from the published work. Two bivectors are constructed by CMSE and its square by the refractive index and absorption coefficient under vectorization. The desirable linear behaviors can be captured, not only between the defined two bivectors in normalized magnitudes, but also between the normalized magnitude of bivectors pertinent to CMSE and the magnitude of a single vector on the refractive index or absorption coefficient, with the processing of optimum selection. Besides that, the relationship between the coefficients of two bivectors is also considered. The results reveal that plenty of sound linear behaviors can be found and also suggest the scale of 15, 16 and frequency of 0.2, 0.21 THz are prominent for those linear behaviors. This work provides a new insight into the correlation between terahertz (THz) time and frequency domain information.
bivector refractive index absorption coefficient terahertz composite multiscale entropy linear behavior Chinese Optics Letters
2022, 20(6): 063701
1 北京理工大学光电学院精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室, 北京 100081
2 首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京市太赫兹与红外工程技术研究中心, 北京市成像理论与技术高精尖创新中心, 北京 100048
3 北京航天计量测试技术研究所, 北京 100076
基于全固态电子器件和零中频机制,设计了基于调频连续波的太赫兹无损检测成像系统。所提系统的有效频率范围为9.375~13.75 GHz,经24倍频后自由空间中的频率范围为0.225~0.330 THz。采用单个喇叭天线与定向耦合器结合,实现收发一体,并利用光学透镜组对太赫兹波束进行准直聚焦。对准光系统的波束质量进行了优化,提高了系统的信噪比,确保了在现有参数条件下的最佳空间分辨率。同时,采用相位聚焦的方法对系统进行了非线性矫正,使得深度分辨率接近理论分辨率。系统采用直线扫描和旋转扫描组合的方式,实现了柱坐标三维数据的获取。利用所提系统对高压绝缘端子进行了检测评估,并重构了全视角透视图像,实现了目标三维结构在实空间和像空间的孪生对应。此外,所提系统能够准确地显示绝缘端子内部的异常区域,有助于直观地评估被检测目标的内部状态,进而可以进一步满足工业领域无损检测的需求。
成像系统 太赫兹波 太赫兹成像 无损检测 调频连续波 绝缘端子
1 中央民族大学理学院，北京 100081
2 首都师范大学物理系
3 北京市成像技术高精尖中心
4 北京市太赫兹波谱与成像重点实验室
5 太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京 100048
太赫兹(THz)成像技术，因其具有能量低、透射率高、波谱范围宽等独特的分析能力，已经在生物医学、安全检查、航空航天等领域展现出巨大的优势及潜在的应用价值，但是较低的空间分辨率制约了太赫兹成像技术的进一步应用。太赫兹波通过具有适当折射率的介质结构产生的“太喷射”效应调控亚波长尺寸太赫兹光场，突破衍射极限对显微系统空间分辨率的限制，同时不损失光场能量和光谱信息，实现高通量、超宽谱的远场太赫兹高分辨成像。本文首先介绍基于纳米喷射的微球透镜显微技术，接着介绍基于太喷射的太赫兹显微技术，最后对基于喷射效应的太赫兹高分辨成像技术的前景做了展望。
太赫兹成像 太喷射 分辨率 terahertz imaging terajet spatial resolution
1 中国人民解放军陆军工程大学石家庄校区 导弹工程系，河北 石家庄 050003
2 中国科学院半导体研究所 超晶格国家重点实验室，北京 100083
3 西安电子科技大学 宽带隙半导体技术国家重点学科实验室，陕西 西安 710071
4 首都师范大学 物理系 太赫兹光电子学教育部重点实验室，北京 100048
5 中国科学院半导体研究所 半导体集成技术工程研究中心，北京 100083
6 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
采用分子束外延技术制备了InP基HEMT样片，室温下样片迁移率达10 289 cm2/(V·s)。通过光刻、腐蚀、磁控溅射、点焊等工艺技术制备出了蝶形天线耦合的太赫兹探测器件。器件采用的蝶形天线经HFSS软件仿真优化后，天线S11参数为-40 dB，电压驻波比(VSWR)为1.15，增益可达6 dB，并与二维电子气沟道实现阻抗匹配。在VDI公司0.3 THz肖特基二极管太赫兹源辐照下进行器件测试，测试结果表明，室温下器件噪声等效功率(NEP)为40 nW/Hz1/2，探测响应度46 V/W，器件响应时间优于330 μs。
太赫兹探测器 高电子迁移率场效应晶体管 磷化铟 蝶形天线 分子束外延 terahertz detector HEMT InP bow-tie antenna excellent beam quality 红外与激光工程
2019, 48(9): 0919001
1 中央民族大学理学院, 北京 100081
2 首都师范大学物理系, 北京市成像技术高精尖中心, 北京市太赫兹波谱与成像重点实验室, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
藏红花和天然牛黄是广泛应用于临床实践的中药材, 由于产量较低、 药用价值和价格高, 市场需求量大等因素, 掺伪和伪品较多, 不仅严重损害患者健康, 而且妨碍市场正常运转。 传统的“一看、 二闻、 三泡”等经验鉴别方法已经越来越难以分辨高仿伪品; 而通过化学提取和色谱、 质谱等理化检测方法往往步骤繁琐、 费时, 且对检测环境、 人员及设备的要求和依赖度较高, 不能适应现场、 快速、 简便等实际需求, 亟需探索新的有效检测方法和鉴别技术。 太赫兹时域光谱（THz-TDS）不但具有单纯化合物的高度专属性和特异性, 又具有混合体系的“宏观指纹特征”, 可以鉴别混合物化学成分的多样性和复杂性。 另外, 主成分分析(PCA)作为一种常用的统计分析手段, 主要是用少数几个且能最大解释原始数据方差的综合变量来取代原始变量, 可以对不同种类的样本进行模式识别。 采用粉末研磨压片技术分别压制了藏红花和草红花样品各18个、 天然牛黄和人工牛黄各20个, 并利用太赫兹时域光谱测试技术分别测量了两种名贵中药材及其伪品在0.3～2.5 THz范围的吸收光谱, 最后利用主成分分析方法对获得的光谱数据进行分类识别。 为了提高PCA对测试数据的鉴别能力, 一方面将数据集映射到一组基（特征向量）进行简化, 选用较大的特征值代替原来的主要光谱信息; 另一方面, 为了消除无关因素对分类处理的干扰, 在进行PCA之前采取了Savitzky-Golay（S-G）平滑处理进行降噪, 去除冗余、 不相关的光谱特征; 然后通过Fisher诊断线进行判别分析。 对比未处理和经过S-G平滑处理的主成分得分图, 可以看出平滑处理后的分类效果明显优于未做处理的, 在未处理的得分图中, 两类样品点重叠比较严重, 而经过平滑后的得分图却只有相对较少的部分样品点重叠, 由此可以看出SG平滑在光谱识别中的重要性; 另外, 前两个主成分（PC1和PC2）已经基本能反映光谱之间的差异性。 分类结果显示, 藏红花和草红花具有明显的聚类趋势, 分类鉴别准确率均为100%; 而人工牛黄和天然牛黄的类内样品基本聚在一起, 但是类间略有重叠, 分类鉴别准确率分别为100%和90%。 除此之外, 样本的主成分得分图还可以反映样本的内部特征和聚类信息。 其中, 藏红花样本由于藏红花素、 藏红花酸等化合物成分含量较高, 聚合度较好, 分布范围相对集中; 反之, 天然牛黄为胆囊分泌物, 成分较为复杂, 聚类效果较差, 分布范围较广。 研究结果表明, 太赫兹光谱技术结合主成分分析可以区分藏红花和草红花以及天然牛黄和人工牛黄, 结果可靠。 该研究结果为丰富中草药的质量标准提供检测手段和理论依据。
太赫兹时域光谱 主成分分析 红花 牛黄 Terahertz time-domain spectroscopy Principal component analysis Saffron Bezoar
1 首都师范大学物理系, 北京市成像技术高精尖创新中心, 北京市太赫兹波谱与成像重点实验室, 太赫兹光电子学教育部重点实验室, 北京 100048
2 中央民族大学理学院, 北京 100081
3 浙江理工大学材料与纺织学院, 浙江 杭州 310018
衰减全反射模式的傅里叶变换红外光谱仪(ATR-FTIR)可以用来确定固体粉末样品的远红外光谱性质, 并根据其指纹特征对未知物样品进行鉴定, 且具有快速、 简便、 灵敏、 样品用量少等优点, 已成为分析与表征染料的常用的手段。 运用ATR-FTIR在真空条件下测试了汽巴蓝2B、 去氧紫草素、 靛蓝、 靛红、 硫靛红等五种染料在50~610 cm-1范围内的吸收光谱。 实验结果表明这五种染料在此波段内均有明显的特征吸收峰并对其峰位进行了指认与描述。 使用Gaussian09软件对硫靛红分子进行模拟计算与指纹谱指认, 并根据可视化结果可以看出: 硫靛红分子在50~610 cm-1范围内的特征吸收峰主要源于分子的集体振动, 且其高频与低频的振动模式并不一致。 模拟结果与实验结果相对符合较好, 但仍然存在一定的差异: 比如峰值位置的差异、 吸收峰位的移动、 模拟得到的新峰位等, 主要是由于二者所基于的温度不同、 理论计算没有考虑分子间的相互作用、 ATR晶体与样品粉末的接触效果略差以及系统分辨率不够等因素导致的结果。
特征吸收峰 衰减全反射傅里叶变换红外光谱 染料 Characteristic absorption peaks ATR-FTIR Dyes 光谱学与光谱分析
2018, 38(10): 3064
Author Affiliations
Abstract
1 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 Beijing Advanced Innovation Center for Imaging Technology and Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics (MoE), Department of Physics, Capital Normal University, Beijing 100048, China
Previous research shows that few-cycle laser (FCL) pulses with low energy and without a bias field can be used to coherently detect terahertz (THz) pulses. As we know, it is very difficult to stabilize the carrier envelope phase (CEP) of FCL pulses, i.e., there are some random fluctuations for the CEP. Here we theoretically investigate the influence of such instability on the accuracy of THz detection. Our results show that although there is an optimum CEP for THz detection, the fluctuations of the CEP will lead to terrible thorns on the detected THz waveform. In order to solve this problem, we propose an approach using two few-cycle laser pulses with opposite CEPs, i.e., their CEPs are differed by π.
040.2235 Far infrared or terahertz 320.7100 Ultrafast measurements Chinese Optics Letters
2018, 16(9): 090401
1 中国人民解放军陆军工程大学石家庄校区导弹工程系， 河北 石家庄 050003
2 中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室， 北京 100083
3 首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室， 北京 100048
4 中国科学院大学材料科学与光电技术学院， 北京 100049
采用分子束外延技术制备了基于共振隧穿二极管的探测器样品。为提高探测响应度，探测器采用蝶形天线增强太赫兹电场强度，并以0.2 THz入射频率为参考对天线结构进行设计。测试采用输出功率为20 mW的太赫兹源，室温下在有无太赫兹波辐照时分别进行电流-电压(I-V)测试，峰值电压为1.398 V。对比最大电流值之差，计算得到探测器响应度为20 mA·W-1，噪声等效功率为15 nW·Hz-0.5，并通过测量探测器对不同角度入射太赫兹波的响应，验证了天线对太赫兹电场的增强作用。
光学器件 探测器 太赫兹 蝶形天线 共振隧穿二极管
