THz时域光谱测试中的散射问题-论文.pdf

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1、第34卷，第6期光谱学与光谱分析Vo1．34，No．6，pp1473～14762014年6月SpectroscopyandSpectralAnalysisJune，2014THz时域光谱测试中的散射问题燕芳h，张朝晖，赵小燕，苏海霞，李智，张寒1．北京科技大学自动化学院仪器科学与技术系，北京1000832．内蒙古科技大学信息工程学院，内蒙古包头014010摘要利用太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)提取物质在太赫兹波段的吸收谱是太赫兹应用的一个重要方面。THz-TDS实验系统中的被测样片一般是多种成份的微粒与稀释剂(PE)按一定摩尔浓度混合研磨后压制而成的薄

2、圆片。一般认为，吸收谱中出现的随频率缓慢上升的基线是源于样品颗粒对THz波的散射。该基线对准确获取吸收谱中的特征吸收峰的峰高和峰形信息产生了影响，故为了进一步对吸收谱实现准确的定量分析，应设法移除基线，消除样品颗粒散射对吸收谱的影响，使吸收谱中的特征吸收峰更准确的体现被测物质在太赫兹频段内的吸收特性。对基线产生的原因进行了分析，对近年来出现的散射处理方法进行了综述，为了验证文献中去除散射方法的合理性，选取三种氨基酸进行实验，对比了去除散射影响前后氨基酸的摩尔浓度计算精度，结果表明，去除散射影响后部分氨基酸的摩尔浓度计算精度得到了提高，最后综合实验结果提出了T

3、Hz吸收谱中去除散射影响需要进一步研究的方向。言3／_I_)口0留e0∞关键词太赫兹时域光谱；颗粒散射；吸收谱；基线∞∞∞∞加m0中图分类号：TGl15．3+3文献标识码：ADOI：10．3964／j．issn．1000—0593(2014)06—1473—04如图1和图2所示，谷氨酰胺与组氨酸的吸收谱均呈指引言数规律上升，并且在吸收谱中都存在随频率增大而缓慢上升的基线。通过对比图2所示不同摩尔浓度的组氨酸吸收谱，太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)是基于超快飞秒激光可见吸收谱的基线斜率随组氨酸摩尔浓度的增大而增大[]。的THz波段光谱测量新技术，它利用电光

4、取样或光电导取样的方法直接记录THz辐射电场的振幅时间波形，经过傅里叶变换后得测量信号振幅和相位的光谱分布，从而获得材料在THz波段的复介电常数，即色散及吸收等信息。这是太赫兹技术在物质分析中的重要应用[1。]。1实验现象及解释以氨基酸的太赫兹时域光谱测试为例。实验用纯氨基酸样品(谷氨酰胺与组氨酸)购于WakoPureChemicals公司，由于纯样品难以成型，故将其与聚乙烯粉末(PE，其在太赫兹00．5l1．522．53波段几乎透明)混合均匀，在玛瑙研钵中研磨后用10MPa压’Frequency／THz成直径约13mill，厚约1．0mill的圆片。将样片

5、置于透射型Fig．1AbsorptionspectraofGlutamine太赫兹时域光谱系统中获取该氨基酸样品的吸收谱。吸收谱的获取参照了Dorney等[4]提出的方法。图1为目前，针对这一吸收谱中的基线问题，许多学者给出了谷氨酰胺样品的太赫兹时域光谱经过处理后得到的吸收谱，不同的解释。Franz~等认为吸收谱中存在的基线是由样片图2为不同摩尔浓度组氨酸样品的吸收谱。物质的折射率与稀释剂的折射率不同而引起的样品颗粒散射收稿日期：2013—07-24．修订日期：2013一Ii一20基金项目：中央高校基本科研业务费(FRF-SD-12—016A)，国家自然科学

6、基金项目(61302007，60977065)资助作者简介：燕芳，1980年生，北京科技大学仪器科学与技术系博士研究生e-mail：0472yanfang@163．tom1474光谱学与光谱分析第34卷引起的。Franz等应用Christiansan效应解释了颗粒状样品的THz时域光谱中观察到—的u10散，I射基问d题J0∞。《S．henE，KaushikE1o-lz]3THz时域吸收谱中基线的现有处理方法等也均认为吸收谱中的基线主要是由于样品颗粒对THz波如∞如加mO的散射引起的。太赫兹波位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微观70光子学的过渡阶段，在光学

7、领域被称为远红外。太赫兹吸收谱中的基线产生原因远比红外光谱中的基线产生原因复杂。60如上所述，在利用THz时域光谱系统对氨基酸样片进行研究时，样品颗粒在THz频段内的散射成为影响以至掩盖吸收谱中“指纹”特征的主要问题。当样品颗粒的尺寸与THz波长相当时，颗粒散射过程就已不能简单的用Rayleigh模型来描述了，此时就需要借助更为复杂的其他方法。THz时域吸收谱中基线的现有处理方法总结如下：Zurk等_7]对以爆炸物为代表的颗粒物质进行了THz时域光谱测量，计算了由粒度大小不同的PE颗粒与致密介质样品压制而成的样片的THz时域光谱，计算过程中对致密Fig．2A

8、bsorptionspectraofHistidin