太赫茲時域光譜系統在實驗教學中的應用

張 瑾， 萬云霞， 劉延濤， 常天英， 崔洪亮

(1. 吉林大學 儀器科學與電氣工程學院， 吉林 長春 130061；2. 東北師范大學 教務處， 吉林 長春130024)

太赫茲時域光譜系統在實驗教學中的應用

張 瑾1， 萬云霞1， 劉延濤2， 常天英1， 崔洪亮1

(1. 吉林大學 儀器科學與電氣工程學院， 吉林 長春 130061；2. 東北師范大學 教務處， 吉林 長春130024)

將太赫茲時域光譜系統應用于本科實驗教學，使學生熟悉太赫茲時域光譜系統的使用，提高學生的動手實踐能力，激發學生的科研興趣。通過前沿科研儀器設備與本科實驗教學的結合，推動研究型和創新型人才的培養。

太赫茲時域光譜系統； 實驗教學； 聚四氟乙烯

太赫茲波是指頻率范圍在0.1～10 THz之間的電磁波，在電磁波譜中處于微波和紅外輻射之間[1-2]。太赫茲時域光譜技術是太赫茲技術的典型代表，近幾年發展迅速，已經被越來越廣泛地應用于物質的光譜和成像檢測。太赫茲時域光譜系統產生的太赫茲脈沖所含信息豐富，可以提取物質的光學參數(如折射率和吸收系數等)。此外，太赫茲時域光譜系統可進行成像，由于它產生的太赫茲脈沖同時含有振幅和相位信息，因此可針對特定物質的檢測選擇不同的信息進行成像[3]。

目前國內很多高校已成功研制或從國外購置太赫茲時域光譜系統，但主要應用于科研實驗，很少會提供給本科生使用，造成前沿科研儀器設備和本科實驗教學的脫節，不利于研究型和創新型人才的培養[4-6]。本文將太赫茲時域光譜系統應用于本科實驗教學，讓學生在本科學習階段就能接觸到最前沿的科研儀器設備，擴展了本科生的視野，激發了本科生將來從事科學研究的興趣。

1 太赫茲時域光譜系統的工作原理

太赫茲時域光譜系統主要由飛秒激光器、時間延遲控制系統、太赫茲輻射產生和探測裝置等組成[7-8]。太赫茲波系統的工作模式分為反射和透射2種，反射模式測量的是從被測樣本反射的太赫茲波，透射模式測量的是從被測樣本透射的太赫茲波。2種模式的工作原理大體相同，飛秒激光脈沖被分束器分為2束，一束較強的是泵浦光，經過時間延遲控制系統后入射到太赫茲波發射器上產生太赫茲脈沖，太赫茲脈沖被離軸拋物面鏡準直聚焦后，通過被測樣本；另一束較弱的是探測光，用于探測太赫茲脈沖的瞬時電場振幅。通過調節探測脈沖和太赫茲脈沖的相對時間延遲可獲得太赫茲時域波形。對時域波形進行傅里葉變換后即可獲取太赫茲頻域波形。此外，通過二維掃描臺的移動，可獲得樣本每一空間點的太赫茲時域和頻域波形。通過選取時域或頻域波形中的不同物理量，可獲得不同的太赫茲二維圖像[9-10]。

2 儀器培訓

學生進入太赫茲實驗室學習使用太赫茲時域光譜系統的操作。首先教師逐一介紹系統的各個組成部分，包括系統主機、太赫茲發射器和接收器、二維掃描臺和計算機等；然后介紹、演示系統的開機順序，包括打開系統主機、登錄系統軟件和設置系統參數等；最后介紹系統各工作模式的切換，包括透射光譜模式、透射成像模式和反射成像模式，以及在各工作模式下樣本的放置位置和測試過程中的注意事項。圖1分別是系統的3種工作模式。

圖1 系統3種工作模式

3 實驗設計

3.1 聚四氟乙烯的太赫茲光譜特性檢測

實驗目的：讓學生學會采用太赫茲時域光譜系統測試樣品的太赫茲光譜特性，包括折射率和吸收系數的計算等。

實驗模式：透射光譜模式。

實驗樣本：由于聚四氟乙烯在太赫茲實驗中常被作為一種標準測試材料，因此本實驗選用聚四氟乙烯材料，采購了厚度分別為0.1、0.2、0.5、1、2 mm的聚四氟乙烯材料。

實驗過程：教師指導學生將系統調整到透射光譜測量模式，測試不同厚度的聚四氟乙烯的太赫茲光譜特性。為了去除空氣濕度的影響，將太赫茲發射器、接收器和被測樣本置于充滿氮氣的密封罩中，密封罩內的溫度控制在22 ℃，空氣濕度控制在2%。首先獲取在無樣本狀態下太赫茲波直接通過氮氣時的時域波形作為參考，然后再將聚四氟乙烯放置于樣本架上，獲取太赫茲波通過聚四氟乙烯時的時域波形。分別將獲取的氮氣和聚四氟乙烯樣本的時域波形進行傅里葉變換，得到頻域波形，并按下式計算聚四氟乙烯的折射率和吸收系數[11-12]：

(1)

(2)

其中，ω為角頻率，c為光速，φ(ω)為樣品信號與參考信號的相位差，ρ(ω)為樣品信號與參考信號的振幅比，d為樣品厚度,n(ω)為樣品折射率，a(ω)為樣品吸收系數。

3.2分辨率測試樣本的太赫茲透射成像檢測

實驗目的：讓學生學會采用太赫茲時域光譜系統進行透射成像實驗，并初步了解太赫茲成像的分辨率與頻率的關系。

實驗模式：透射成像模式。

實驗樣本(見圖2)：通過印制電路板法在玻璃纖維板上進行覆銅和蝕刻，形成不同寬度和間距的條紋。

實驗過程：教師指導學生將系統切換到透射成像工作模式，進行分辨率測試樣本的成像檢測。設置二維掃描臺的掃描范圍和步徑，對分辨率測試樣本進行逐點掃描，獲得樣本每一空間點的時域波形。對時域波形進行傅里葉變換，得到頻域波形，可選擇利用頻域波形中不同頻率的振幅進行成像。最后對太赫茲成像的分辨率與頻率的關系進行分析。

3.3信封內隱藏物體的太赫茲反射成像檢測

實驗目的：讓學生學會采用太赫茲時域光譜系統進行反射成像實驗，并分析不同參數的成像效果。

實驗模式：反射成像模式。

圖2 實驗樣本

實驗樣本：在信封內放置剪刀、壁紙刀和5角硬幣，檢測信封內的隱藏物體。

實驗過程：教師指導學生將系統切換到反射成像

工作模式，進行信封內隱藏物體的成像檢測。可選擇利用時域波形中的最小峰值、最大峰值或者峰峰值進行成像；也可選取頻域波形中特定頻率的振幅、功率譜密度、能量和相位等信息進行成像。最后對各參數成像的成像效果進行比較和分析。

4 實驗結果

圖3是不同厚度的聚四氟乙烯的折射率和吸收系數譜，從圖3中可以看出，不同厚度的聚四氟乙烯的折射率和吸收系數略有差異，但總體來看差異不大，其中在0.1～1 THz頻率區間折射率為1.4左右，吸收系數在0左右徘徊。由此可以看出，聚四氟乙烯對太赫茲波的吸收很小，對太赫茲波基本透明。

圖4是分辨率測試樣本的太赫茲透射成像結果，分別選取了0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 THz的振幅進行成像。從圖4中可以看出，隨著頻率的增大，太赫茲透射成像的分辨率逐漸提高。

圖3 不同厚度的聚四氟乙烯的折射率譜和吸收系數譜

圖4 分辨率測試樣本的太赫茲透射成像

圖5是信封內隱藏物體的太赫茲反射成像結果，分別選取了時域最小峰值、時域峰峰值、0.56 THz的振幅以及0.56 THz的功率譜密度4個參數進行成像。從圖5中可以看出，時域峰峰值的太赫茲成像檢測效果要優于其他3個參數，可以較為清晰地分辨出信封內隱藏的剪刀、壁紙刀和5角硬幣。

教師指導學生對實驗結果進行分析，實驗結果分析完后，教師對每位學生的實驗結果進行考核，并讓學生對實驗過程中遇到的問題進行匯報，教師幫助學生分析和解決問題。

圖5 信封內隱藏物體的太赫茲反射成像

5 結語

科研儀器設備是學校寶貴的實驗資源，將太赫茲時域光譜系統應用于本科實驗教學，提高了科研儀器設備的使用率，讓科研儀器設備能同時服務于科研和教學，實現科研和教學的有機結合，有利于培養本科生的科研思路和創新意識，提高了實驗教學的前沿性。

References)

[1] Sirtori C. Bridge for the terahertz gap[J]. Nature, 2002, 417(6885):132-133.

[2] Won R. NPO 2010 Bridging the terahertz gap[J]. Nat Photonics, 2010, 4(10):673-674.

[3] Hu B, Nuss M. Imaging with terahertz waves[J]. OpticsLetters, 1995, 20(16):1716-1718.

[4] 章軍軍, 崔秀紅. 加強科研儀器設備在創新實驗教學中的應用[J]. 實驗技術與管理, 2008, 25(2):174-176.

[5] 吳安慶, 聶晶, 裴海龍, 等. 流式細胞儀在放射生物學實驗教學中的應用[J]. 實驗技術與管理, 2017, 34(1):184-186.

[6] 趙紅昆, 楊恩翠, 王修光, 等. X-射線單晶衍射儀應用于本科實驗教學的探索[J]. 實驗技術與管理, 2017, 34(3):187-189.

[7] Scheller M, Jansen C, Koch M. Analyzing sub-100-μm samples with transmission terahertz time domain spectroscopy[J]. Optics Communications, 2009, 282(7):1304-1306.

[8] 劉佳. 光纖集成化太赫茲時域光譜成像關鍵技術研究[D]. 西安: 中國科學院西安光學精密機械研究所, 2014.

[9] 梁玉慶. 反射式太赫茲波譜成像技術[D]. 西安: 中國科學院西安光學精密機械研究所, 2011.

[10] Fitzgerald A, Pinder S, Purushotham A, et al. Classification of terahertz-pulsed imaging data from excised breast tissue[J]. Journal ofBiomedical Optics, 2012, 17(1):016005(1-10).

[11] Duvillaret L, Garet F, Coutaz J. A reliable method for extraction of material parameters in terahertz time-domain spectroscopy[J]. IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics, 1996, 2(3):739-746.

[12] Dorney T, Baraniuk R, Mittleman D. Material parameter estimation with terahertz time-domain spectroscopy[J]. Journal of the Optical Society of America A, 2001, 18(7):1562-1571.

Application of terahertz time domain spectroscopy system to experimental teaching

Zhang Jin1, Wan Yunxia1, Liu Yantao2, Chang Tianying1, Cui Hongliang1

(1. College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130061, China; 2. Academic Affairs Division, Northeast Normal University, Changchun 130024, China)

The terahertz time domain spectroscopy system is applied to the undergraduate experimental teaching to familiarize the students with the use of such system, improve their hands-on practical ability and stimulate their interest in scientific research. Through the combination of cutting-edge scientific research instruments and equipment with the undergraduate experimental teaching, the cultivation of research-oriented and innovative talents is promoted.

terahertz time domain spectroscopy system; experimental teaching; PTFE (polytetrafluoroethylene)

10.16791/j.cnki.sjg.2017.11.015

TH744.1;G484

B

1002-4956(2017)11-0054-04

2017-04-24修改日期2017-06-01

國家自然科學基金項目(11404130);重慶市科委基礎研究計劃重大項目(cstc2013jcyjC00001)資助

張瑾(1987—)，女，江西新余，博士，工程師，主要研究方向為復合材料的太赫茲無損檢測

E-mailzhangjin0109@jlu.edu.cn

崔洪亮(1956—)，男，吉林長春，博士，國家“千人計劃”特聘教授，主要研究方向為太赫茲科學、納米材料與器件和光纖傳感技術及應用.

E-mailhcui@jlu.edu.cn