太赫茲時域光譜與頻域光譜研究綜述（五）

(1)太赫茲頻域光譜在氣體檢測中的應用

當待測樣品為氣體時,  為了得到更為準確的樣品光譜信息, 需要儀器分辨率保持在MHz的水平, 這是傳統的時域光譜所難以達到的。 而頻域光譜儀由于其獨特的結構原理,  擁有較高的光譜分辨率, 能夠滿足檢測氣體樣品的條件要求, 這是太赫茲頻域光譜最為突出的應用領域之一。  圖14即為監測煤自燃氣體中CO濃度的太赫茲頻域光譜裝置, 是太赫茲頻域光譜在氣體檢測方面典型的應用。

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	圖14 監測煤自燃氣體中CO濃度的太赫茲頻域光譜裝置示意圖Fig.14 Schematic  diagram of terahertz frequency-domain spectroscopy for monitoring the  concentration of carbon monoxide in spontaneous combustion gases

其工作原理為:  利用智能真空泵將裝置內部抽空, 用凈化器凈化自燃性測定儀產生的煤自燃氣體, 安全閥門保持氣室內壓力的恒定, 并通過調節閥、 截止閥、  閘閥等實現裝置中各部分的開與關, 采用太赫茲頻域光譜儀, 太赫茲波透過氣室時部分會被CO吸收, 再利用太赫茲探測器接收透過氣室的太赫茲波,  根據相應公式計算CO濃度, 連續進行即可實現對CO濃度的監測。 該裝置利用太赫茲頻域光譜儀分辨率高及能夠透過氣相物質的特點,  將其應用于煤自燃氣體中CO濃度的監測中, 無需重復實驗, 且大大縮短了進樣的間隔時間, 實現了CO濃度的連續監測。  檢測結果同時得到振幅和相位的信息, 且得到的吸收峰很尖銳, 無譜線重疊現象, 因此氣體濃度的檢測精度高。 與傳統的超聲檢測儀及氣相色譜儀相比,  實現了小流量氣體的濃度監測及連續監測, 且受周圍環境影響很小。 同時, 該裝置結構簡單, 操作方便, 結果精度高。

(2)太赫茲頻域光譜在分子磁體研究上的應用

分子磁體由于在低溫下各向異性勢壘的存在,  其各個能級的占據數不同, 會出現對應能級間距的光吸收, 而大多數分子磁體的能級間距都處在THz光子能量范圍內,  非常適合用太赫茲頻域光譜研究其性質。  德國Physikalisches研究所的研究人員利用他們組建的一套太赫茲頻域光譜儀對單分子磁體Mn12家族進行研究,  發現了Mn12-AC的躍遷吸收在零場冷卻和場冷卻線性的不同^[46]。 零場冷卻時, 零場的吸收峰是對稱的; 而當場冷卻時, 其對應的吸收峰是不對稱的。 根據這一實驗現象揭示了來自于磁化率張量非對角元的非均勻加寬效應。

(3)太赫茲頻域光譜在超導體研究方面的應用

超導能隙作為超導序參量, 是超導物理中一個重要的研究對象, 各類超導體的能隙一般在幾個到十幾個毫電子伏的量級上, 適合用太赫茲頻域光譜研究其能隙性質, 探索其內在的規律。 圖15為利用頻域光譜儀獲得的La_1.88Sr_0.12CuO₄單晶太赫茲頻域透射譜^[47], 可以明顯看出超導以后能隙以下的低頻反射率接近1, 隨著溫度降低能隙變大, 低頻高反射率區域向高頻擴展, 并且溫度越低臺階形反射率曲線越陡, 曲線陡變的位置就是超導能隙; 圖16是根據MgB₂薄膜的THz頻域透射譜和相應的相移算出的光電導率實部和虛部^[47], 能隙位置在實部低頻的極小處。 虛線是理論計算的曲線, 其T_e=32 K, 超導前后改變能明顯看出光電導的變化。

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	圖15 La1.88Sr0.12CuO4單晶的太赫茲透射譜Fig.15 Terahertz transmission spectrum of La1.88Sr0.12CuO4

與時域光譜相比, 頻域光譜在應用方面還處于起步階段。 但是卓越的性能特點, 讓其在基礎研究領域、 工業生產生活及軍事領域都有著極其廣闊的應用前景與潛力。 尤其在氣體檢測方面, 頻域光譜因其較高的頻譜分辨率表現尤為突出。

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	圖16 MgB2薄膜的光電導率實部和虛部Fig.16 The real part and imaginary part of photoconductivity for MgB2

3 兩種光譜的對比3.1 產生原理對比

從事太赫茲光譜技術研究的基礎平臺裝置是太赫茲光譜儀。 太赫茲時域光譜儀相比于頻域光譜儀出現的更早, 普及度更高。 經過長時間的發展與積累, 時域光譜儀已經成為研究太赫茲科學的一個重要手段。 但是由于結構原理的限制, 其在使用上依然有很多不足:

(1)儀器的穩定性由于系統中延遲線的存在而降低。

(2)作為輻射源的飛秒激光器體積過于龐大笨重, 而體積輕便的光纖飛秒激光器價格又極為昂貴, 這在一定程度限制了時域光譜儀在實際生產中的應用。

(3)根據儀器的工作原理, 系統的分辨率與所得時域信號的長度成反比, 而時域信號的長度又與延遲線的可調節長度有關。 系統中的延遲線可調節長度較短, 從結構原理上決定了太赫茲時域光譜儀的分辨率較低。

較之于太赫茲時域光譜儀,  頻域光譜儀在結構上輕便很多, 所使用的器件更為廉價, 對實驗環境的要求也更為寬松, 這就使太赫茲頻域光譜儀更容易在生產應用中進行普及與推廣。  同時, 頻域光譜儀在使用中所產生的THz輻射為連續波, 這區別于時域光譜儀中所產生的THz脈沖波, 能夠得到更為全面的樣品輻射信息。  而獨特的結構原理也在根本上決定了頻域光譜儀擁有較高的頻譜分辨率, 這是時域光譜儀所無法達到的。

3.2 性能特點對比

根據上文所述, 二者在性能上互有優劣。 表7給出了二者在性能特點上的相關參數對比。

表7 太赫茲頻域光譜與時域光譜性能的比較Table 7 The comparison of Terahertz Time Domain and Frequency Domain Spectroscopy in performance

3.3 應用領域對比

太赫茲時域光譜與頻域光譜憑借各自獨特的性能特點,  有著不同的應用方向。 時域光譜適用于對傳統的固體、 液體樣品進行光譜測量分析, 獲得其折射系數、 吸收率、 反射率、 介電常數等光學參數。  并且由于時域光譜在使用時產生的太赫茲輻射為脈沖輻射, 更側重應用于物質在THz波段的特

征光譜以及基于特征光譜的物質識別及定量化研究中。  而頻域光譜則因為擁有較高的光譜分辨率, 在檢測氣體樣品時有著顯著的應用優勢。 同時, 頻域光譜在使用中產生的太赫茲波輻射為連續波,  更適合應用于物質的THz波成像技術研究中。 如果能將二者緊密聯系, 充分發揮各自的性能優勢, 勢必會使太赫茲技術在更多領域得到更好地應用與發展。

4 結 論

太赫茲光譜作為太赫茲科學的主要發展方向之一,  有時域光譜與頻域光譜之分。 二者在產生原理、 性能特點上有很大差異, 這也決定了它們各自不同的應用領域。 傳統的時域光譜頻譜范圍寬、 測速快,  適用于對固體、 液體樣品進行光譜測量分析。 而頻域光譜作為一種新興的光譜探測技術, 較已存在多年的時域光譜有著頻率分辨率高、  不需后續復雜的數據處理等優勢, 適用于對氣體樣品進行檢測。 但目前頻域光譜還存在很大的提升空間, 例如輻射功率低、 頻譜范圍窄等。  相信隨著太赫茲技術的發展, 頻域光譜的性能將得到全面完善, 同時與時域光譜的配合互補也能使太赫茲光譜系統應用到更多的領域。

The authors have declared that no competing interests exist.

參考文獻文獻選項