论文部分内容阅读
运用太赫兹光谱技术进行气体分子的检测是一项非常重要的研究，对现代工农业生产、安全检测、宇宙遥感、生态环境控制等具有十分重要的现实意义。
太赫兹波(Terahertz)指的是振荡频率在1011-1013(0.1-10THz)范围附近的电磁波（波长30μm至3000μm之间的电磁波），它在电磁波谱中处于远红外和微波之间。由于大部分气体分子的转动能级光谱处在微波光谱至远红外光谱频段，所以太赫兹光谱成为一种新颖的具有很好发展前景的气体分子检测方式。
然而，过去因缺乏有效产生太赫兹波辐射的技术手段，致使人们对太赫兹波的认识和应用受到了很大的限制。近年来，随着光电子超快技术的发展，人们发展了太赫兹时域光谱技术，得到较好信噪比的太赫兹宽带脉冲信号，为检测气体分子提供了技术支持。
我们的研究重点主要是利用太赫兹时域光谱技术对双原子气体分子、有机多原子气体分子（包括对称陀螺分子和不对称陀螺分子）、水汽分子等进行了较为系统的光谱检测。通过定性和定量的实验及相关理论研究，表明太赫兹时域光谱技术可以较好的测定气体分子在太赫兹范围内的转动谱线，能够甄别某些不同类别的气体分子甚至不同浓度的气体分子。同时我们还对部分物体进行了太赫兹成像实验，指出使用太赫兹时域光谱的相干测量特性，可以将透射光的振幅和相位分别做为成像要素对被成像物体进行重构。
本论文的主要内容如下:
1、设计和组建了具有较好动态范围的太赫兹时域光谱实验系统和气体分子测量系统，对不同浓度的水汽分子等气体的转动谱线进行定量测量，得到通常环境中不同湿度下的水汽分子对太赫兹的吸收系数，表明了太赫兹时域光谱对分子的浓度定量测量的可行性。
2、通过实验测量了典型的双原子气体分子HCl、HF的太赫兹光谱，得到了它们的特征谱线，与分子转动理论计算结果吻合。实验表明在太赫兹频段可以检测到这些较轻的气体小分子的转动光谱，太赫兹光谱适合测量大气中无机小分子污染物气体。
3、对甲醇、乙醇、乙腈等多种典型的有机多原子分子进行了太赫兹时域光谱测量，得到了它们的特征谱线，并与分子转动能级理论计算值（对称陀螺分子）做了比较。利用傅立时变换特性，指出使用时域和频域相结合的办法可鉴别不同种类的气体分子。实验表明，绝大多数气体分子在太赫兹时域光谱中都有明确的响应，相当部分的气体分子的转动谱线是可以用太赫兹时域光谱清晰分辨的，说明太赫兹光谱可以作为微波和红外光谱的很好补充，可以比较灵敏的测量一些分子量不是太大的有机气体分子。
4、定量测量了水汽（不对称陀螺分子）分子的太赫兹光谱，并根据分子转动理论，给出了在太赫兹波段水汽的转动能级，并给出了水汽吸收线的相对强度。
5、对太赫兹检测技术的实用性作了研究，对植物树叶样品进行了THz波二维透射成像，探讨了将透射光的振幅和相位分别作为参数时的成像特点。