光束在湍流大气中传输, 由于大气湍流的存在, 光束的波前随着传输距离的增加将会破坏, 不利于在终端对光束携带信息的提取。论文基于广义惠更斯-菲涅耳原理, 以携带有一端被限制的刃型位错和光涡旋的高斯光束为研究对象, 探究了湍流大气传输中一段被限制的刃型位错和光涡旋的演化行为。研究发现, 由于刃型位错的弯曲度不同, 随着光束传输距离的增加, 一端被限制的刃型位错消失或者消失后演化为光涡旋。随着传输距离的继续增加, 光束波前将会出现由大气湍流诱导产生的光涡旋。当光束传输足够远, 大气湍流诱导产生的光涡旋会和刃型位错演化的光涡旋发生湮灭, 或者大气湍流诱导的光涡旋之间发生湮灭。光束本身携带的光涡旋在整个传输过程中稳定传输。论文研究结果在光通信中具有重要的应用。

苋菜红(Amaranth)作为一种人工合成食品添加剂, 常被添加于汽水、 山楂和糖果等当中, 但苋菜红是由煤焦油中分离出来的苯胺染料为原料制成, 过量食用会导致基因突变甚至致癌, 严重危害身体健康。 因此, 对其检测至关重要。 表面增强拉曼光谱技术具有样品前处理简单、 分析速度快和准确性高等优点, 已在化学、 生物和医学领域越来越显示出巨大的潜能。 目前, 用拉曼光谱技术对苋菜红检测的理论与实验研究还未见报道。 而对拉曼光谱及表面增强理论机理的研究可以为在食品中检测及鉴定苋菜红提供可靠的科学依据。 所以利用密度泛函理论全面探究苋菜红的表面增强拉曼机理并与实验结果进行对比, 对食品中的苋菜红检测研究有很好的预测及指导意义。 一方面, 利用共聚焦显微拉曼光谱仪对苋菜红粉末进行拉曼光谱检测, 得到其拉曼光谱; 另一方面, 搭建苋菜红分子结构, 并基于密度泛函理论对分子结构进行优化处理, 从前线轨道、 静电势、 极化率及自然键轨道布局分析四个角度进行计算分析, 得出偶氮基团处(-N15N16-)是苋菜红分子与Ag原子配位的最佳位置。 在此基础上, 使用B3LYP/6-31++G(d, p))基组(C, H, O, N, S, Na)和B3LYP/Sdd基组(Ag)对苋菜红分子与1个Ag原子及3个Ag原子团簇的复合物(Amaranth-Ag1, Amaranth-Ag3)进行结构优化和表面增强拉曼光谱计算。 将苋菜红分子的实验与理论拉曼光谱进行比较, 发现二者吻合较好, 且在1 228, 1 329, 1 467和1 529 cm-1处苋菜红分子的拉曼活性很明显。 另外, 苋菜红与Ag的复合物有明显的拉曼增强效应, 增强效果随着Ag原子个数的增多而愈加明显, 不仅拉曼光谱的峰值个数有增多, 而且其对应光谱峰位强度也有增强。 进一步通过振动模式的归属, 得到鉴定和识别苋菜红的拉曼特征峰。 该研究为利用表面增强拉曼光谱技术检测食品中的苋菜红提供了一定的实验参考和理论依据。

乙二胺四乙酸二钠简称EDTA-2Na, 是一种含有羧基和氨基的螯合剂, 具有广泛的配位性能。 由于EDTA-2Na几乎能与所有的金属离子形成稳定的水溶性络合物, 其络合作用可以消除由金属离子引起的食品变浊、 变质、 变色及维生素C的氧化损失, 从而对食品起到护色、 稳定、 抗氧化和保鲜的作用, 因而作为一种护色剂、 品质改良剂和协同抗氧化剂, 常被广泛添加到食品当中。 但是, EDTA-2Na的过量或不当使用会危害人体健康, 甚至引起暂时性血压下降、 肾脏障碍等, 所以一种快速检测EDTA-2Na的方法的提出对于食品安全尤为重要。 相对于传统检测方法过程繁杂、 耗时耗力的特点, 太赫兹时域光谱技术及拉曼光谱技术对EDTA-2Na具有良好的指纹特性, 安全快速的检测优点使其具有较大的应用潜力。 目前, 用太赫兹光谱技术及拉曼光谱技术对EDTA-2Na检测的理论与实验研究还未见报道。 利用太赫兹时域光谱技术和拉曼光谱技术对EDTA-2Na结晶粉末进行检测研究, 获得了样品在0.2～2.6 THz范围的特征吸收及10～4 000 cm-1的拉曼散射谱; 基于密度泛函理论, 利用B3LYP/6-31G*基组优化并计算EDTA-2Na分子的振动频率, 对其太赫兹吸收峰和拉曼散射峰对应的振动模式进行了归属和解析。 结果表明, EDTA-2Na在0.88, 1.40, 1.73和2.32 THz; 在921, 963, 990, 1 081, 1 336, 1 428和1 614 cm-1处分别有明显的THz吸收峰和拉曼特征峰, 这些振动频率与实验结果吻合较好, 可以作为鉴定和检测的特征峰。 特别地, 对6.7～85.8 cm-1（0.2～2.6 THz）范围内的低频拉曼光谱和太赫兹光谱进行对比, 结合密度泛函理论对特征峰产生机理进行解析, 结果显示太赫兹光谱和低频拉曼光谱之间有很强的互补性和一致性, 可以作为光谱技术检测EDTA-2Na的有效互补手段, 结果可靠。 该研究为食品添加剂乙二胺四乙酸二钠的太赫兹光谱及拉曼光谱特征峰数据库的建立提供了实验参考, 也为利用密度泛函理论预测其光谱特征提供了理论依据。

随着社会的不断进步, 食品工业得到快速发展, 随之食品安全问题也层出不穷。 由于合成抗氧化剂价格较低且对食品有较好的防腐保鲜作用, 常被一些食品生产商过量添加在食品中, 严重危及人们身心健康。 因而, 对于食品中合成抗氧化剂的检测研究是十分必要的。 丁基羟基茴香醚(BHA)和叔丁基对苯二酚(TBHQ)是两种常见的合成抗氧化剂。 实验上, 利用共聚焦显微拉曼光谱仪分别对BHA和TBHQ进行拉曼光谱检测, 获得样品的拉曼散射谱。 理论上, 应用密度泛函理论DFT(B3LYP)的三参数混合方法及6-31G(d, p)基组对其进行空间结构优化并计算其拉曼光谱, 给出了光谱强度图。 将理论结果与实验结果进行对比发现, 在50～4 000 cm-1范围内BHA及TBHQ分子拉曼特征明显且拉曼活性较强, 其振动频率在实验上和理论上显示出较好的一致性。 另外, 给出了BHA和TBHQ分子的红外活性、 拉曼活性以及各频率谱线对应的振动模式归属。 结果表明, BHA和TBHQ分子的拉曼频移表征物质的特征结构, 可以作为鉴定和识别的检测依据。 该研究报道了抗氧化剂BHA和TBHQ的拉曼光谱, 并对其理论机制进行分析, 为拉曼光谱技术应用于食品添加剂研究领域提供了理论和实验依据。

应用荧光光谱仪及微拉曼光谱仪分别对几种常见人工合成 色素溶液的荧光光谱和拉曼光谱进行了实验研究。 一方面,首次测量其不同浓度合成色素溶液的荧光光谱,讨论其谱线特性。另一方面,以有致癌性的合成色素苋菜 红为例,应用拉曼光谱技术进行定性和定量检测,验证拉曼光谱对色素检测的可行性。为了提高探测灵敏度, 以55 nm的金纳米粒子溶胶为基底,在785 nm激发光下对不同浓度的苋菜红溶液进行了表面增强拉曼光谱探测, 探测到的最低浓度为10－17 mol/L。分析结果为这种色素的合理利用及安全快速检测提供了有效的光谱实验依据, 也为其它色素的检测提供了参考方法。

不同化合物在太赫兹波段的吸收谱差别很大,所以存在用太赫兹光谱对化合物及混合物进行含量分析的可能。利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)技术测量VC 和 VB1各纯化合物吸收谱,基于化合物的吸收谱,采用线性回归技术,对VC 和 VB1混合物的太赫兹吸收谱进行分析,得到样品中各个混合成分的相对含量。通过以VC 和 VB1混合物的THz吸收谱的研究为例,证实了利用整个测量波段的频谱作为化合物的指纹特征来分析化学混合物的成分和相对含量是可行的。

在采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术对9种常见毒品进行实验研究并得到它们在0.2～2.6 THz频率范围的特征吸收谱的基础上,用误差逆传播(BP)神经网络法对9种常见毒品的太赫兹吸收光谱进行了训练及识别。首先,用9种毒品的太赫兹吸收谱训练已经建立的误差逆传播神经网络; 然后,选用与训练光谱不同时间测得的9种毒品的太赫兹吸收光谱作为检测光谱,经过二阶导数预处理之后分别输入到训练好的误差逆传播神经网络中进行识别,识别率达到89%。该误差逆传播神经网络模型采用MATLAB语言编制程序。识别结果充分表明,用误差逆传播神经网络可以实现对不同种类毒品的识别和鉴定,为太赫兹光谱技术用于毒品的检测和识别提供了一种有效的方法。

利用太赫兹时域光谱(THz－TDS)测试技术及透射式太赫兹逐点扫描成像技术分别对几种玉米种子DNA和胚的样品进行了光谱和成像测量；利用空间图样成份分析(component spatial pattern analysis)方法对得到的THz像进行识别运算。实验结果表明，几种样品在THz波段都有不同的吸收特性，但都没有明显的吸收峰，不能利用“特征指纹谱”进行识别。用基于THz扫描成像的空间图样成份分析方法能很好地实现不同玉米种子DNA样品的鉴定和识别。与现有的THz图像识别方法相比，这个方法只需要THz像的实验数据和样品的吸收谱信息，不需要样品的其它特征。这项研究为进一步利用THz成像技术实现无损检测、安全检查、质量监测等提供了依据，具有实际应用价值。

介绍了太赫兹时域光谱和成像技术在毒品识别和检测中的应用研究结果;主要报道了利用太赫兹时域光谱技术对隐藏在信封中的毒品的识别,并对粉末状毒品与片状毒品的太赫兹吸收光谱进行了比较;在理论模拟方面,利用密度泛函理论对毒品振动光谱进行了计算;同时应用太赫兹成像技术对毒品进行了识别.研究结果充分表明太赫兹电磁波在毒品检测和缉毒工作中的有效性.