太赫兹时域光谱与频域光谱研究综述（五）
(1)太赫兹频域光谱在气体检测中的应用
当待测样品为气体时, 为了得到更为准确的样品光谱信息, 需要仪器分辨率保持在MHz的水平, 这是传统的时域光谱所难以达到的。 而频域光谱仪由于其独特的结构原理, 拥有较高的光谱分辨率, 能够满足检测气体样品的条件要求, 这是太赫兹频域光谱最为突出的应用领域之一。 图14即为监测煤自燃气体中CO浓度的太赫兹频域光谱装置, 是太赫兹频域光谱在气体检测方面典型的应用。
 | 图14 监测煤自燃气体中CO浓度的太赫兹频域光谱装置示意图Fig.14 Schematic diagram of terahertz frequency-domain spectroscopy for monitoring the concentration of carbon monoxide in spontaneous combustion gases |
其工作原理为: 利用智能真空泵将装置内部抽空, 用净化器净化自燃性测定仪产生的煤自燃气体, 安全阀门保持气室内压力的恒定, 并通过调节阀、 截止阀、 闸阀等实现装置中各部分的开与关, 采用太赫兹频域光谱仪, 太赫兹波透过气室时部分会被CO吸收, 再利用太赫兹探测器接收透过气室的太赫兹波, 根据相应公式计算CO浓度, 连续进行即可实现对CO浓度的监测。 该装置利用太赫兹频域光谱仪分辨率高及能够透过气相物质的特点, 将其应用于煤自燃气体中CO浓度的监测中, 无需重复实验, 且大大缩短了进样的间隔时间, 实现了CO浓度的连续监测。 检测结果同时得到振幅和相位的信息, 且得到的吸收峰很尖锐, 无谱线重叠现象, 因此气体浓度的检测精度高。 与传统的超声检测仪及气相色谱仪相比, 实现了小流量气体的浓度监测及连续监测, 且受周围环境影响很小。 同时, 该装置结构简单, 操作方便, 结果精度高。
(2)太赫兹频域光谱在分子磁体研究上的应用
分子磁体由于在低温下各向异性势垒的存在, 其各个能级的占据数不同, 会出现对应能级间距的光吸收, 而大多数分子磁体的能级间距都处在THz光子能量范围内, 非常适合用太赫兹频域光谱研究其性质。 德国Physikalisches研究所的研究人员利用他们组建的一套太赫兹频域光谱仪对单分子磁体Mn12家族进行研究, 发现了Mn12-AC的跃迁吸收在零场冷却和场冷却线性的不同[46]。 零场冷却时, 零场的吸收峰是对称的; 而当场冷却时, 其对应的吸收峰是不对称的。 根据这一实验现象揭示了来自于磁化率张量非对角元的非均匀加宽效应。
(3)太赫兹频域光谱在超导体研究方面的应用
超导能隙作为超导序参量, 是超导物理中一个重要的研究对象, 各类超导体的能隙一般在几个到十几个毫电子伏的量级上, 适合用太赫兹频域光谱研究其能隙性质, 探索其内在的规律。 图15为利用频域光谱仪获得的La1.88Sr0.12CuO4单晶太赫兹频域透射谱[47], 可以明显看出超导以后能隙以下的低频反射率接近1, 随着温度降低能隙变大, 低频高反射率区域向高频扩展, 并且温度越低台阶形反射率曲线越陡, 曲线陡变的位置就是超导能隙; 图16是根据MgB2薄膜的THz频域透射谱和相应的相移算出的光电导率实部和虚部[47], 能隙位置在实部低频的极小处。 虚线是理论计算的曲线, 其Te=32 K, 超导前后改变能明显看出光电导的变化。
 | 图15 La1.88Sr0.12CuO4单晶的太赫兹透射谱Fig.15 Terahertz transmission spectrum of La1.88Sr0.12CuO4 |
与时域光谱相比, 频域光谱在应用方面还处于起步阶段。 但是卓越的性能特点, 让其在基础研究领域、 工业生产生活及军事领域都有着极其广阔的应用前景与潜力。 尤其在气体检测方面, 频域光谱因其较高的频谱分辨率表现尤为突出。
 | 图16 MgB2薄膜的光电导率实部和虚部Fig.16 The real part and imaginary part of photoconductivity for MgB2 |
3 两种光谱的对比3.1 产生原理对比
从事太赫兹光谱技术研究的基础平台装置是太赫兹光谱仪。 太赫兹时域光谱仪相比于频域光谱仪出现的更早, 普及度更高。 经过长时间的发展与积累, 时域光谱仪已经成为研究太赫兹科学的一个重要手段。 但是由于结构原理的限制, 其在使用上依然有很多不足:
(1)仪器的稳定性由于系统中延迟线的存在而降低。
(2)作为辐射源的飞秒激光器体积过于庞大笨重, 而体积轻便的光纤飞秒激光器价格又极为昂贵, 这在一定程度限制了时域光谱仪在实际生产中的应用。
(3)根据仪器的工作原理, 系统的分辨率与所得时域信号的长度成反比, 而时域信号的长度又与延迟线的可调节长度有关。 系统中的延迟线可调节长度较短, 从结构原理上决定了太赫兹时域光谱仪的分辨率较低。
较之于太赫兹时域光谱仪, 频域光谱仪在结构上轻便很多, 所使用的器件更为廉价, 对实验环境的要求也更为宽松, 这就使太赫兹频域光谱仪更容易在生产应用中进行普及与推广。 同时, 频域光谱仪在使用中所产生的THz辐射为连续波, 这区别于时域光谱仪中所产生的THz脉冲波, 能够得到更为全面的样品辐射信息。 而独特的结构原理也在根本上决定了频域光谱仪拥有较高的频谱分辨率, 这是时域光谱仪所无法达到的。
3.2 性能特点对比
根据上文所述, 二者在性能上互有优劣。 表7给出了二者在性能特点上的相关参数对比。
 | 表7 太赫兹频域光谱与时域光谱性能的比较Table 7 The comparison of Terahertz Time Domain and Frequency Domain Spectroscopy in performance |
3.3 应用领域对比
太赫兹时域光谱与频域光谱凭借各自独特的性能特点, 有着不同的应用方向。 时域光谱适用于对传统的固体、 液体样品进行光谱测量分析, 获得其折射系数、 吸收率、 反射率、 介电常数等光学参数。 并且由于时域光谱在使用时产生的太赫兹辐射为脉冲辐射, 更侧重应用于物质在THz波段的特
征光谱以及基于特征光谱的物质识别及定量化研究中。 而频域光谱则因为拥有较高的光谱分辨率, 在检测气体样品时有着显著的应用优势。 同时, 频域光谱在使用中产生的太赫兹波辐射为连续波, 更适合应用于物质的THz波成像技术研究中。 如果能将二者紧密联系, 充分发挥各自的性能优势, 势必会使太赫兹技术在更多领域得到更好地应用与发展。
4 结 论
太赫兹光谱作为太赫兹科学的主要发展方向之一, 有时域光谱与频域光谱之分。 二者在产生原理、 性能特点上有很大差异, 这也决定了它们各自不同的应用领域。 传统的时域光谱频谱范围宽、 测速快, 适用于对固体、 液体样品进行光谱测量分析。 而频域光谱作为一种新兴的光谱探测技术, 较已存在多年的时域光谱有着频率分辨率高、 不需后续复杂的数据处理等优势, 适用于对气体样品进行检测。 但目前频域光谱还存在很大的提升空间, 例如辐射功率低、 频谱范围窄等。 相信随着太赫兹技术的发展, 频域光谱的性能将得到全面完善, 同时与时域光谱的配合互补也能使太赫兹光谱系统应用到更多的领域。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献文献选项
| [1] | ZHANG Zhuo-yong, ZHANG Xin(张卓勇, 张欣). |
| [2] | Shank C V, Auston D H. |
| [3] | Auston D H. |
