太赫兹时域光谱 冰

基于太赫兹时域光谱的汽车发动机油低温性能研究∗于宪书;高磊;卢贵武【摘要】Terahertz time-domain spectroscopy was used to study the low temperature feature of lubricating oils.The tera-hertz time-domain spectrum of several kinds of lubricating oils from-40℃ to 0℃was measured in the self-built transmis-sion terahertz time-domain spectroscopy system.The absorption coefficient and refractive index of the lubricating oils were obtained by processing the terahertz time-domain spectrum.The results show that low temperature leads to the crystallization of hydrocarbons in lubricating oils,and the increasing of viscosity and the loss of fluidity.It shows the time delay increasing in the Terahertz time-domain spectroscopy by influence of temperature decreasing in lubrication oils,and there is certain regularity between the temperature and time delay.The decrease of the temperature leads to the increase of the refractive in-dex and the absorption coefficient of the lubricating oils,and relativity is also shown between temperature and refractive in-dex.Terahertz time-domain spectroscopy can detect the effect of temperature change on lubricating oils very effectively,and can be used to study the low temperature performance of lubricating oils.%采用太赫兹时域光谱技术研究润滑油的低温性能。

太赫兹时域光谱技术原理知乎
太赫兹时域光谱技术是一种用于研究和分析太赫兹频段（介于
红外和微波之间）电磁波的方法。

其原理基于太赫兹波的时域分析
和频域分析。

在太赫兹时域光谱技术中，首先通过一个激光器产生一串短脉
冲的光束，这些光脉冲经过一个光学元件（例如光栅或光学晶体）
分成两束，一束作为参考光束，另一束通过样品。

样品对通过的光脉冲进行干涉，产生干涉图样。

通过调节参考
光束的光程，可以得到一系列不同时间延迟的干涉图样。

接下来，使用探测器检测每个时间延迟下的干涉图样，并将其
转换为电信号。

然后，通过傅里叶变换将这些电信号从时域转换到
频域，得到太赫兹频段的频谱信息。

通过分析得到的频谱信息，可以获得样品在太赫兹频段的吸收、透射、反射等光学性质。

这种技术可以应用于材料的物性研究、生
物医学成像、安全检测等领域。

总结来说，太赫兹时域光谱技术利用干涉和频谱分析的原理，通过短脉冲光束与样品的相互作用，实现了对太赫兹频段电磁波的研究和分析。

第四章太赫兹的时域光谱利用太赫兹脉冲可以分析材料的性质，其中太赫兹时域光谱是一种非常有效的 测试手段。

太赫兹脉冲时域光谱系统是在二十世纪九十年代出现的，太赫兹脉冲光 谱仪利用锁模激光器产生的超快激光脉冲产生和探测太赫兹脉冲。

最常用的锁模激 光器是钛宝石激光器，它能产生800nm 附近的飞秒激光脉冲。

太赫兹时域光谱系统是一种相干探测技术，能够同时获得太赫兹脉冲的振幅信 息和相位信息，通过对时间波形进行傅立叶变换能直接得到样品的吸收系数和折射 率等光学参数。

太赫兹时域光谱有很高的探测信噪比和较宽的探测带宽，探测灵敬 度很高，可以广泛应用于多种样品的探测。

典型的太赫兹时域光谱系统如图4-1所示，主要山飞秒激光器、太赫兹辐射产 生装置、太赫兹辐射探测装置和时间延迟控制系统组成。

飞秒激光器产生的激光脉 冲经过分束镜后被分为两束,一束激光脉冲（象浦脉冲）经过时间延迟系统后入射 到太赫兹辐射源上产生太赫兹辐射，另一束激光脉冲（探测脉冲）和太赫兹脉冲一 同入射到太赫兹探测器件上，通过调节探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟可以 探测出太赫兹脉冲的整个波形。

太赫兹时域光谱系统分为透射式和反射式，所以它既可以做透射探测，也可以 做反射探测，还可以在泵浦-探测的方式下研究样品的时间动力学性质。

根据不同 的样品、不同的测试要求可以采用不同的探测装置。

图4・1典型的太赫兹时域光谱系统 4-1透射式太赫兹时域光谱系统材料的光学常数（实折射率和消光系数）是用来表征材料宏观光学性质的物理 量，它是进行其他各项研究工作的基础。

但是一般材料在太赫兹波段范圉内的光学 常数的数据比较少。

利用太赫兹时域光谱技术可以很方便地提取出材料在太赫兹波 段范围内的光学常数。

在本节中所介绍的是T. D. Dorney 和L. D. Duvillaret 等人提 出的太赫兹时域光谱技术提取材料光学常数的模型。

实验中的太赫兹时域光谱系统倔摄片锁相放大器滋光器 *时间延迟班苜分光镶 THz 辐射源离轴抛物而鏡TE 任探测源 3波片光电二极管的响应函数是不随时间改变的。

第四章太赫兹时域光谱电磁波谱技术作为人类认识世界的工具，扩展了人们观察世界的能力。

人眼借助于可见光可以欣赏五颜六色的世界，利用红外变换光谱技术和拉曼光谱技术等可以了解分子的振动和转动等性质，利用X射线衍射技术可以了解物质的结构信息。

而太赫兹光谱技术作为新兴的光谱技术能够与红外、拉曼光谱技术形成互补，甚至在某些方面能够发挥不可替代的作用，从而成为本世纪科学研究的热点领域。

4.1 太赫兹时域光谱技术的优势太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术是太赫兹光谱技术的典型代表，是一种新兴的、非常有效的相干探测技术。

由于太赫兹辐射本身所具有的独特性质（可参见第1章1.3节），太赫兹时域光谱技术对应有如下一些特性：（1）THz -TDS系统对黑体辐射不敏感，在小于3太赫兹时信噪比可高达104，这要远远高于傅立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性业比较好。

（2）由于THz -TDS技术可以有效的探测材料在太赫兹波段的物理和化学信息，所以它可以用于进行定性的鉴别工作，同时它还是一种无损探测的方法。

（3）利用THz -TDS技术可以方便、快捷的得到多种材料如电介质材料、半导体材料、气体分子、生物大分子（蛋白质、DNA等）以及超导材料等的振幅和相位信息。

（4）在导电材料中，太赫兹辐射能够直接反映载流子的信息，THz -TDS的非接触性测量比基于Hall效应进行的测量更方便、有效。

而且，THz -TDS技术已经在半导体和超导体材料的载流子测量和分析中发挥出了重要的作用。

（5）由于太赫兹辐射的瞬态性，可以利用THz -TDS技术进行时间分辨的测量。

另外，太赫兹-TDS技术还具有宽带宽、探测灵敏度高，以及能在室温下稳定工作等优点，所以它可以广泛地应用于样品的探测。

4.2 太赫兹时域光谱系统THz -TDS系统可分为透射式、反射式、差分式、椭偏式等，其中最常见的为透射式和反射式THz -TDS系统。

典型的THz -TDS系统如图4-1所示，它主要由飞秒激光器、太赫兹辐射产生装置及相应的探测装置，以及时间延迟控制系统组成。

太赫兹时域光谱成像太赫兹成像系统是理想的检测系统，它有许多优点。

例如THz-TDS成像系统就可以做到小型、高效，并且价格还相对便宜等。

与众多的远红外成像系统所不同的是，它不需要使用低温系统。

另外，由于太赫兹的脉宽只有亚皮秒的量级，再加上其相敏探测的特性，两者结合能够产生出许多独特的成像模式。

正是由于这些优势，大大促进了T-ray成像系统的发展。

早在2000年，第一套商用化的太赫兹成像系统已经面世了。

接下来我们就介绍一下太赫兹成像，展示一下它们那神奇的魅力。

5.2.1 振幅和位相成像如果要对物体进行成像，可以将物体放置在THz-TDS成像系统（见图5-1），的中间焦点上，测量透过物体的太赫兹波。

当太赫兹脉冲透过物体时，我们就能测出其波形来。

通过平移物体，而后测量透过物体每处的太赫兹波形，就可以逐个像素的构建出这个物体的太赫兹图像，由此所得到的太赫兹图像可以提供所测波形的振幅信息，也可以是相位信息，或是两者都有。

因此对于给定物体的成像，可以采用多种不同的方法来实现，而且每种方法还可以揭示出样品的各种不同的特性。

图 5-3 对2cm2大小的装有谷物的小盒子所成的太赫兹透射图像太赫兹成像系统的潜在应用十分广泛，其中最具前景的是对封装物品的质量检测。

如图5-3所示，它是对一个装有谷物的小盒所成的太赫兹透射图像。

其中，这个小盒重有1-3/8 盎司，大小约为2平方厘米，而做盒子的材料是硬纸板，它对太赫兹辐射几乎是透明的。

在太赫兹图像中黑色部分代表葡萄干，这是因为它们的含水量很高，所以与周围的材料相比能显示出很高的对比度来。

在这幅图中，样品的厚度大约为5cm，略大于太赫兹光束的共焦焦斑（约为1cm），因此这些葡萄干（没有放置在太赫兹光束的焦点之上）在图像中显得比它们的实际尺寸要大。

不过这个问题不足以限制太赫兹成像技术的发展应用，这是因为从理论上讲，太赫兹成像系统可以选用各种光路。

这种成像技术很适合来检测被密封包装的物品，特别是那些对太赫兹波透明的包装材料，例如硬纸板、塑料制品、较薄的干木材等等，效果更好。

太赫兹时域光谱概述及解释说明1. 引言1.1 概述太赫兹时域光谱是一种物质分析和材料研究的重要工具，它利用太赫兹波段（频率范围从0.1 THz到10 THz）的电磁辐射来获得样品的结构、组成和动力学信息。

太赫兹辐射具有介于红外光和微波之间的频率特点，且能够穿透许多非金属材料，如塑料、纸张和绝缘体等。

因此，太赫兹时域光谱技术在医药、生物科学、化学、材料科学等领域都有广泛应用。

1.2 文章结构本文将首先介绍太赫兹时域光谱的基本概念，包括其定义和核心原理。

接着，我们将详细探讨太赫兹辐射的特性及其在不同领域中的应用。

然后，在第三部分中我们会介绍传统的实验方法和常用仪器，并对该技术未来发展方向进行展望。

接下来，在第四部分中我们将聚焦于太赫兹时域光谱技术在材料研究中的应用，包括材料成分分析和性质表征。

最后，我们将总结太赫兹时域光谱的基本概念和应用，并展望其未来发展趋势。

1.3 目的本文旨在全面介绍太赫兹时域光谱技术，并探讨其在材料研究中的应用。

通过了解太赫兹时域光谱的基本原理和实验方法，读者可以更好地理解该技术在材料科学和相关领域中的意义和作用。

同时，我们将对当前的研究进展进行概述，并对太赫兹时域光谱技术未来的发展趋势进行预测，以便读者更好地把握该领域的研究方向和前景。

2. 太赫兹时域光谱的基本概念：2.1 什么是太赫兹时域光谱：太赫兹时域光谱，是指在太赫兹频率范围内进行光谱分析和测量的一种技术方法。

太赫兹频率位于红外和微波之间，对应波长范围大约为0.1毫米到1毫米。

由于太赫兹辐射具有很强的穿透力，并且与物质的相互作用较强，太赫兹时域光谱可以提供关于物质结构、成分和性质的重要信息。

2.2 太赫兹辐射的特性：太赫兹辐射是在电磁波谱中低频端的部分，具有独特的特性。

与红外和微波相比，太赫兹辐射在穿透非金属材料方面表现出色，可以触发并探测许多物质的振动模式，包括晶格振动、电子运动等。

此外，太赫兹波段还具有很好的空间分辨率和时间分辨率，使其成为研究材料结构和动力学行为的理想工具。

太赫兹时域光谱引言太赫兹（THz）波段指的是电磁波频率范围在太赫兹赫兹（1 THz = 10^12 Hz）左右的波段。

这一频段的电磁辐射有着许多特殊的性质，因此在许多领域中受到广泛关注和应用。

太赫兹时域光谱是一项重要的技术，用于研究和分析太赫兹波段中的电磁辐射。

原理太赫兹时域光谱技术是一种基于光电探测器的测量技术。

其基本原理是太赫兹辐射与探测器之间的相互作用产生的电流信号被记录下来，从而得到太赫兹波段中的光谱信息。

太赫兹波段的光谱可以提供物质的结构、动力学和电磁特性等方面的信息。

太赫兹时域光谱技术通常使用一种称为太赫兹时域光谱仪的设备进行测量。

该仪器包括一个太赫兹辐射源、一个太赫兹探测器和一个光学系统。

太赫兹辐射源可以是通过激光器产生的太赫兹脉冲，或者是其他太赫兹辐射源。

太赫兹探测器可以是光电探测器，如光电二极管或光电导。

光学系统用于引导和聚焦太赫兹辐射以及收集探测器产生的电流信号。

在测量过程中，太赫兹脉冲被聚焦到待测样品上。

样品中的物质与太赫兹波相互作用，从而改变太赫兹脉冲的传播特性。

探测器记录下样品与太赫兹波相互作用后产生的电流信号。

通过记录一系列不同时间延迟的电流信号，可以得到太赫兹时域光谱。

应用太赫兹时域光谱技术在许多领域中有着广泛的应用。

材料科学太赫兹时域光谱可用于研究材料的光学性质、电磁特性和结构信息。

通过分析太赫兹光谱，可以了解材料中的晶格振动模式、载流子动力学和电磁波-物质相互作用等信息。

这些信息对于开发新型材料和改进材料性能非常重要。

生物医学太赫兹时域光谱技术在生物医学领域中有着广泛的应用潜力。

太赫兹波段的辐射能够透过许多生物组织，包括皮肤、肌肉和骨骼等。

通过分析太赫兹光谱，可以了解生物组织的结构和组成，从而为疾病诊断和治疗提供重要的信息。

安全检测太赫兹时域光谱技术可以用于安全检测领域，如物质探测和成像。

太赫兹辐射可以穿透许多非金属和不透明样品，如纸张、塑料和衣物。

通过分析太赫兹光谱，可以检测到隐藏在这些物体中的化学物质或物理性质的变化，例如爆炸物和药物。

太赫兹时域光谱技术原理4.3.1 透射式太赫兹时域光谱技术如上图所示，在时域中可测得含有样品信息的太赫兹脉冲E sam (t)和不含样品信息的探测脉冲E ref (t)，然后分别对它们进行傅立叶变换，将它们转换到频域中的复值)(~ωsam E 和)(~ωref E ，可求出它们的比值为: {}}])(~2exp[)]1(~[]1)(~[1]1)(~[exp ]1)(~[)(~4])([exp )()(~)(~222d c n i n n d c n i n n d c i T E E ref sam ωωωωωωωωωωφωωω-+--⎩⎨⎧--+=-∆-= 其中，)()()(~ωωωik n n-=是复折射率，)(ωT 为所测的透射功率，)(ωφ∆表示固有的相移，而d 和c 则分别表示被测样品的厚度和真空中的光速。

从实验中我们可以测得)(ωT 和)(ωφ∆，而后由它们可以求出)(ωn 和)(ωk 。

最后根据所计算出的复折射率，反复对其进行修正，以使测量值和计算值之间的误差减到最小。

根据最后所得到的复折射率，很容易能够将其转换为复相对介电常数（也可以是复介电常数）)()()(~21ωεωεωεi -=，或者是复电导率)()()(~21ωσωσωσi -=。

它们之间的关系是)(~)(~2ωωεn =，)()(201ωωεεωσ=，])([)(102∞--=εωεωεωσ。

其中，∞ε为物质在足够高的频率条件下的介电常数，0ε为物质在自由空间的介电系数。

太赫兹辐射也可以通过干涉测量法来测得，但是这种方法的缺点是只能测出振幅信息，而相位信息却丢失了。

所以利用这种方法很难得到复折射率。

4.3.2 反射式太赫兹时域光谱技术如果被测样品是光厚介质（如重掺杂载流子的半导体）的话，那么则需要使用反射式THz -TDS 来对其进行探测。

将从样品上和反射镜上所测得的脉冲信号)(t E sam 和)(t E ref 进行傅立叶变换后可得到各自的复值)(~ωsam E 和)(~ωref E 。

利用太赫兹技术测量冰的融化速率詹洪磊;王焱;苗昕扬;祝静;赵昆【摘要】近年来由于冰雪灾害导致的电网、公路结冰以及农作物和树木不堪重负而倒塌的现象频繁出现,对工程设施、交通运输和人民生命财产造成了直接破坏,所以对于冰融化过程的探究仍然值得关注.本文提出一种利用透射式太赫光谱系统探测冰融化过程的方法.当冰表面开始融化时,表面产生的水对太赫兹波有更强的吸收,且太赫兹波对于这一固液相的转变非常敏感.因此,可通过分析太赫兹透射信号峰值的强度下降速率了解冰表面融化状况.本文选取两种不同融化速率的物质作为实验样品,在常温22℃下进行融化实验,结果表明,纯水冻成的冰块的太赫兹透射信号强度的下降速率大于冰晶的下降速率,验证了冰晶盒具有良好的蓄冷作用.【期刊名称】《物理与工程》【年(卷),期】2019(029)002【总页数】6页(P94-99)【关键词】太赫兹时域谱;冰融化速率;相转变【作者】詹洪磊;王焱;苗昕扬;祝静;赵昆【作者单位】中国石油大学(北京)材料科学与工程系,北京 102249;中国石油大学(北京)材料科学与工程系,北京 102249;中国石油大学(北京)材料科学与工程系,北京102249;中国石油大学(北京)材料科学与工程系,北京 102249;中国石油大学(北京)材料科学与工程系,北京 102249【正文语种】中文对冰表面融化原理的理解在许多应用中是非常重要的，包括摩擦，粘合，涂层技术和材料特性。

自从1859年法拉第(Faraday)提出冰的极端滑动和复冰现象是由其表面的薄水膜引起的以来，对于冰表面在不同温度尤其是融点以下的变化也成为众人关注的焦点[1-3]。

最近，这一现象受到许多自然现象如雷暴起电、冰雪灾害以及冰川融化的推动再次成为被关注的话题。

太赫兹辐射作为“电磁波段上最后一块未开垦之地”，由于没有稳定的光源与成熟的探测技术，在过去一段时间里，未能得到人们广泛而深入的研究。

随着激光技术的进步，新型太赫兹设备和技术的发展得到了极大的促进。