在太赫兹光谱实验测试中, 为了提高系统信噪比, 被测试的固态样品表面通常为平行且光滑的形态, 然而在安检等实际应用场合中, 自然状态下的物体表面可能会呈现出凹陷、 凸起等特殊形态, 这会对太赫兹光谱产生影响, 这些影响与特殊形态的尺寸有关, 但最容易忽视的是这些影响也与太赫兹波的空间分布有关。 首先, 对凹陷表面样品进行了基于高斯光学的太赫兹波透射过程建模, 研究了表面具有规则圆柱形的凹陷表面形态对太赫兹透射光谱的影响。 通过小孔拟合法对太赫兹光谱系统的高斯光学参数进行了测量, 获得了太赫兹波的束腰半径等参数。 然后, 选用表面被加工成凹陷形态的聚四氟乙烯为实验材料进行太赫兹透射光谱实验, 将太赫兹光谱传递函数幅值的理论模型值和实验值进行对比来验证模型的适用情况, 通过实验证实了在表面有凹陷等缺损情况时将太赫兹波进行高斯光束建模的必要性。 最后, 由模型推论出在与太赫兹波传播方向平行和垂直两个维度方向上, 凹陷深度和凹陷半径对太赫兹透射光谱的定量影响作用: 随着凹陷深度的增加, 光谱传递函数幅值周期越来越小, 两者之间存在单调的定量关系, 且不会受到凹陷半径的影响。 利用凹陷深度对光谱传递函数幅值周期的定量影响关系可以实现对凹陷深度的定量检测, 当可用频谱宽度为1.2 THz时, 凹陷深度的最低检测值为0.53 mm; 随着凹陷半径的增加, 光谱传递函数幅值均值有着先降低后增加的变化趋势, 两者之间不存在单调函数关系且受到凹陷深度的影响。 当凹陷半径大于5 mm时, 光谱传递函数幅值均值不再随半径的增加而增大, 样品表面凹陷对太赫兹波光谱传递函数幅值幅度的影响与凹陷位置也有关系, 这两种现象主要与太赫兹波的高斯分布情况有关。 研究结论可用于太赫兹波在非极性材料表面缺陷的无损检测中, 还可用于设计样品表面形态, 使其具有期望的光谱传递函数。

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。

极化率作为材料的重要微观属性, 与其呈现出的多种宏观属性等紧密相关, 在新型药物及功能材料的设计中扮演着关键角色。 对于微观结构存在复杂分子间作用的物质体系, 获取其太赫兹波段的动态极化率具有重要意义。 极化率的实验测定建立在其本征介电常数的准确测定之上, 太赫兹时域光谱系统凭借其相干探测属性, 可直接提供太赫兹波在穿透样品后的相位变化信息, 用于精确测定样品的介电常数。 当样品由待测物纯物质组成时, 实验测得的介电常数可直接用于计算极化率。 但对于大多数的有机晶体, 其自身对太赫兹波的特征吸收以及与颗粒尺寸与波长相当造成的散射, 使其纯样品的太赫兹时域光谱表征受到系统信噪比的限制, 通常需要将待测物均匀分布于对太赫兹波透明且可塑性极强的聚合物载体中。 聚合物载体的使用导致实验直接测定的混合物介电常数中也包含了聚合物的介电影响, 无法直接用于计算待测物质的极化率。 针对这一问题, 将嵌于聚合物载体中的有机晶体整体等效为聚合物、 空气气隙和待测样品三组份混合介质模型, 结合各组份体积占比以Landau, Lifshitz and Looyenga有效介质模型从实验测得的混合物介电常数中移除聚合物和空气气隙的影响, 获取待测物的太赫兹本征介电常数, 从而进一步结合Clausius-Mossotti关系式计算其太赫兹极化率。 选取水杨酸晶体为研究对象, 利用所提出的理论方案, 从聚乙烯和聚四氟乙烯两种聚合物载体三种浓度混合物的原始介电常数中, 提取出了具有高度一致性的本征介电常数和太赫兹极化率, 验证了方法的有效性, 并利用实验结果首次报道了水杨酸晶体的太赫兹极化率, 在聚乙烯和聚四氟乙烯载体中的测定值分别为(17.2±0.2)和(17.6±1.0)3。

太赫兹光谱技术作为获取物质在太赫兹频段信息的主要方法, 已经被广泛应用于物质成分的测定, 而其在成分分布成像方面则有着更广阔的应用前景, 例如片剂药品的有效成分检测、 行李安检的危险物品检测等。 现有的太赫兹光谱探测方法时域光谱技术(THz-TDS)和频域光谱技术(THz-FDS)均不能很好地兼顾光谱分辨率与扫描时间; 且获得物质光谱数据往往要花费数秒乃至数分钟时间(取决于光谱仪的结构), 这对多像素成像系统显得过于迟缓, 更无法达到视频成像的速率需求, 严重制约了太赫兹光谱成像的实际应用。 目前的太赫兹波成像多为全频段波强度成像, 只能反映样品的空间分布信息, 并不能反映出样品的光谱即成分信息。 因此, 对太赫兹光谱探测速率的提升十分迫切, 太赫兹光谱高速探测的实现不仅可以显著减少物质成谱的实验耗时, 还为实现物质的太赫兹光谱成分分布成像提供了可能。 提出了一种基于迈克尔逊干涉仪的太赫兹光谱高速探测方法, 在设计了该方法装置结构的基础上, 理论分析了其工作过程, 同时进行了太赫兹光谱的计算。 然后从数据采样、 数据处理及参数选择这几个方面进行问题分析, 计算得出该方法能够显著加快物质太赫兹光谱的扫描获取速率。 最后, 对该方法建模进行仿真研究, 模拟实现其完整的探测过程。 在仿真研究中, 以太赫兹辐射源的频谱分布为例, 将该方法的建模仿真结果与时域光谱技术(THz-TDS)测试结果进行了对比, 结果表明时域光谱技术(THz-TDS)所测得的频谱曲线可以近似看作是该高速光谱探测法所得频谱曲线的包络线, 两种不同方法所得频谱结果具有较强的一致性。 总之, 该方法能够进行样品的太赫兹光谱探测, 且在保证分辨率相同的前提下, 较时域光谱技术(THz-TDS)显著加快了成谱速率, 为实用、 高通量太赫兹光谱成像提供了一种可能。

近年来太赫兹技术因其重要的理论研究价值和广泛的应用前景引起了科学界的普遍关注。 太赫兹光谱技术作为太赫兹科学发展的主要方向之一, 可分为频域光谱与时域光谱两种。 它的出现解决了太赫兹波段下无法产生宽带辐射源的难题, 使得光谱学上存在的太赫兹断层得以填补。 随着这项技术的发展, 对太赫兹波段下物质特性的研究也逐步拓展到生物医学、 材料、 通信、 安检为代表的各个领域。 从产生原理、 性能特点、 应用领域等方面对两种光谱进行比较, 进而阐述了两种太赫兹光谱的优缺点以及其应用优势。

利用量子化学计算方法模拟物质的太赫兹吸收谱,可以为目标物质的太赫兹吸收特征匹配分子振动模式,对深刻理解谱的形成机理十分必要.模拟结果的可靠性,主要取决于目标物质初始构型的搭建和振动模式计算方法的选择.首先利用太赫兹时域光谱技术获取了谷氨酰胺固态样品的太赫兹吸收谱,为了在理论模拟过程中体现考虑分子间作用的程度,构建了三种常用于有机物太赫兹吸收谱模拟的谷氨酰胺初始构型,单分子、二聚体、晶胞.使用量子化学计算程序基于密度泛函理论对三种初始构型进行了结构优化和振动模式计算.将计算结果通过洛伦兹线型函数拟合为吸收谱与实验吸收谱进行对比发现,二聚体构型的模拟吸收谱从吸收峰个数上优于单分子构型,在此基础上,晶胞构型模拟结果从吸收峰峰位上又较二聚体构型有了明显的改进,随着初始构型考虑分子间作用的程度提高模拟结果逐步逼近实验吸收谱.在得到了可靠的理论模拟吸收谱的基础上,成功对谷氨酰胺固态样品在0.3~2.6 THz范围内的三个吸收峰匹配了晶胞内各分子的集体振动模式.研究表明,在固体样品的太赫兹吸收谱理论模拟中,在计算能力允许的情况下,应尽可能选择全面反映分子间作用力的晶胞构型作为计算的初始构型.

研究了固体有机样品的太赫兹介电谱与组分体积含量之间的关系。通过分析有效介质理论中的 CRI(Complex Refractive Index)模型, 得到样品的介电参数与组分体积含量的关系式。利用太赫兹时域光谱技术测得室温下两种氨基酸样品在 0.5～2.7 THz的介电性质, 样品的折射率、介电系数及介电损耗均随氨基酸体积含量增加而增大。选取氨基酸介电损耗谱特征峰位处的介电参数, 根据 CRI模型进行拟合, 得到折射率与体积含量的线性关系式, 介电系数和介电损耗与体积含量的二次函数关系式。研究结果有利于扩展太赫兹波段的定性定量分析手段, 并对聚合物基复合材料制备有一定参考意义。

利用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）提取物质在太赫兹波段的吸收谱是太赫兹应用的一个重要方面。 THz-TDS实验系统中的被测样片一般是多种成份的微粒与稀释剂（PE）按一定摩尔浓度混合研磨后压制而成的薄圆片。 一般认为, 吸收谱中出现的随频率缓慢上升的基线是源于样品颗粒对THz波的散射。 该基线对准确获取吸收谱中的特征吸收峰的峰高和峰形信息产生了影响, 故为了进一步对吸收谱实现准确的定量分析, 应设法移除基线, 消除样品颗粒散射对吸收谱的影响, 使吸收谱中的特征吸收峰更准确的体现被测物质在太赫兹频段内的吸收特性。 对基线产生的原因进行了分析, 对近年来出现的散射处理方法进行了综述, 为了验证文献中去除散射方法的合理性, 选取三种氨基酸进行实验, 对比了去除散射影响前后氨基酸的摩尔浓度计算精度, 结果表明, 去除散射影响后部分氨基酸的摩尔浓度计算精度得到了提高, 最后综合实验结果提出了THz吸收谱中去除散射影响需要进一步研究的方向。