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1、第34卷分析化学(FENXIHUAXUE)评述与进展第4期2006年4月ChineseJournalofAnalyticalChemistry576~581评述与进展太赫兹时域光谱技术在化学领域中应用的新进展1*12王凤霞张卓勇张存林12(首都师范大学化学系,物理系,北京100037)摘要随着超快激光技术的发展及其人们对太赫兹(THz)电磁波波段及与脉冲光源认识的进一步深入,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术作为一种新的、快速发展的光谱分析方法在许多领域备受关注。尤其在化学领域,THz-TDS技术已得到了广泛的应用,并显示出了广阔的应
2、用前景。本文介绍了THz技术的特点、THz辐射的产生、探测及其信号处理;讨论了该技术在化学及其相关领域中的应用;初步探讨了该技术在化学领域应用中一些亟待解决的问题及今后发展的方向。关键词太赫兹,时域光谱,评述1引言太赫兹(THz)辐射指频率在(0.1~10)1012Hz(波长在30m~3mm)之间的电磁辐射,其波段位于微波与红外光之间。在20世纪80年代中期以前,由于缺乏有效的检测THz辐射波的方法,人们对该波段电磁辐射性质的认识非常有限,以致被称为电磁波谱中THz空隙。近十几年来,超快激光技术的迅速发[1,2]展为THz脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源,使THz辐射技术和
3、应用研究得到了蓬勃发展。这与THz电磁波波段的重要性及脉冲光源的独特性是分不开的。首先,人们认识到物质的THz光谱(包括发射、反射和透射谱)包含着丰富的物理和化学信息,研究物质在这一波段的光谱对于物质结构及其状态与环境关系的探索具有重要的意义。其次,THz脉冲光源与传统的光源相比具有以下独特的性质:(1)瞬态性:THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级,不但可以方便地进行时间分辨的研究,而且通过取样测量技术,能5够有效地抑制背景辐射噪音的干扰。目前,辐射强度测量的信噪比可大于10;(2)宽带性:THz脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡,单个脉冲的频带可以覆盖从GHz至几十THz的范围;(3)相干性
4、:THz的相干性源于其产生机制。它是由相干电流驱动的偶极子振荡产生,或是由相干的激光脉冲通过非线性-3光学差频变换产生;(4)低能性:THz光子的能量只有10eV,因此不易破坏被检测的物质,适合生物大分子和活性物质结构的研究;(5)THz辐射对于很多非极性物质,如电介质材料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透力,可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查;(6)大多数极性分子如水分子、氨分子等对THz辐射有很强的吸收,可以通过分析它们的特征谱来研究物质成分或者进行产品质量控制。THz辐射上述的优点决定了它在许多方面可以成为傅里叶变换红外光谱、X射线技术及近红外光谱技术的互补,使THz电磁
5、波在很多基础研究领域、工业应用及军事应用领域有相当重要的应用前景。近几年,随着THz技术的发展,该技术在生物学、医学、微电子学、农业及其它领域已显示出巨大的应用潜[3~6]力。目前,世界上许多研究机构相继开展了THz技术的研究,并已取得了可喜的成就。本文主要介绍了THz技术的特点,THz辐射的产生、探测及其信号处理;讨论了该技术在化学及相关领域中的应用;初步探讨了该技术在化学领域应用中一些亟待解决的问题。2太赫兹时域光谱简介2.1THz电磁波的产生2005-05-19收稿;2005-08-20接受本文系国家自然科学基金重大项目(No.10390160)和中国人民解放军总装备部武器装备
6、重点基金(No.6140524)资助第4期王凤霞等:太赫兹时域光谱技术在化学领域中应用的最新进展577太赫兹时域光谱(THz-TDS)是一种非常有效的测试技术,典型的THz时域谱实验系统主要是由超快脉冲激光器,THz发射元件、THz探测和时间延迟控制系统组成。超快激光器产生具有fs脉宽的激光脉冲串列,这些脉冲串列被分为两路,其中一路作为泵浦光,激发THz发射元件产生THz电磁波。THz的发射元件可以是利用光整流效应产生THz辐射的非线性光学晶体,也可以利用光电导机制发射THz辐射的赫兹偶极天线。在大多数实验中采用了偶极子天线,可能是由于偶极子天线相对结构不太复杂,人们对其结构研究更为透
7、彻、同时这种偶极子天线有很好的频率响应特性和较高的转换效率,可产生小于100fs的THz电磁脉冲。2.2THz辐射的探测和THz时域信号的处理由超快激光器发出有fs脉宽的激光脉冲串列的另一路作为探测光与THz脉冲汇合后共线通过THz探测元件。由于THz波的周期通常远大于探测光的脉宽,因此探测光脉冲通过的是一个被THz电场调制的接受元件。与THz脉冲的激发方式类似,检测技术也分为两种:(1)使用电光(EO)晶体作为THz
