爆炸性物质太赫兹时间分辨光谱测量_张亮亮
基于太赫兹光谱技术的TNT炸药检测试验研究
基于太赫兹光谱技术的TNT炸药检测试验研究刘晓东;祁乐融;张志杰;王高【摘要】利用TAS7500SP光谱仪和太赫兹时域光谱技术研究了2,4,6三硝基甲苯(TNT)在0.1～5 THz频率范围的光谱性质,得到了其指纹谱信息,对获得的光谱进行优化并提取了特征峰值.实验表明,所得结果与国内外其他机构测量的该炸药的吸收谱、频域谱、时域谱线走势和吸收峰位置基本一致,并且首次测得该炸药在该频段的吸收系数、反射率、反射谱、透射比、透射光谱,丰富和补充了该炸药在太赫兹波段的光谱数据.【期刊名称】《中北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(037)004【总页数】6页(P425-429,435)【关键词】TNT;太赫兹光谱;反射;透射【作者】刘晓东;祁乐融;张志杰;王高【作者单位】中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051【正文语种】中文【中图分类】TN247近年来对爆炸物的探测和探测技术的发展革新日益成为安保工作的重点. 目前常见的爆炸物探测技术主要有以X射线成像技术、毫米波成像技术、微波成像技术、太赫兹成像技术为代表的成像技术[1]和以中子技术、核四极矩技术为代表的核技术[2-3]，其中X射线成像是目前最常见的探测技术. X射线成像技术[4]通过投射X射线能量收集图像数据，成像结果反映了目标物对X射线的吸收程度，显示出投影图形，缺点是提供的探测信息较少，在图像中很难分辨出与X射线没有强相互作用的一个个独立物体，且存在侵犯他人隐私和放射安全性等问题. 与微波、红外光不同的是，毫米波对各种绝缘材料都有良好的穿透性. 当物体表面产生的温度比绝对零度大时，它就会向外辐射出一定的能量，并且这种能量的大小与物体的性能和温度有关. 毫米波成像技术[5]通过检测不同能量辐射体辐射的毫米波能量可以显示出藏匿在衣物下的手枪、炸弹和毒品等，但是也存在侵犯他人隐私以及辐射安全性问题. 微波成像采用微型雷达发射微波脉冲，根据反波成像，这是一种主动式探测方法，不用辐射体进行辐射. 微波是一种可以穿透空气、雾和一些电介质的穿透能力很强的波，它甚至可以穿透人的身体，可检测出藏匿在人体内的物品(如爆炸物和毒品等). 中子探测技术[6-7]利用中子脉冲束和N， O， C， H 原子核发生相互作用发射出特征射线来确定物品中上述元素的含量和空间分布图. 四极矩共振频率[8-9]具有唯一性，不同的物质有不同的四极矩共振频率谱，在这些频率谱中含氮分子的共振频率不同，可以将其视为该分子的“指纹”[10]. 核四极矩技术使用的是低强度(低功率)调谐无线电脉冲，这些脉冲是用来增强爆炸物中来自氮元素所产生的信号，进一步探测出所测物质的分子结构. 这种检测方法的准确度高，但目前可检测的爆炸物种类较少且金属屏蔽会使该方法失效. 以上传统方法存在各自缺点，然而太赫兹波[11]穿透性好，能量低，这使得它在爆炸物的探测中有广阔的应用前景.太赫兹时间分辨测量技术是同步相干探测，对热背景噪声不敏感，具有很高的信噪比[12-17]，这样就有许多爆炸性物质的一些特性，比如分子的振动和转动能级谱处在太赫兹波段[18]，随后通过测量爆炸物的特征光谱可以很容易地识别爆炸物. 近年来，太赫兹光谱技术不断被用来检测人体携带的隐蔽爆炸物，用THz-TDS技术对爆炸物进行的研究也在不断深入[19-23]. 圣地亚国家实验室探测在0.05～2.7 THz频段范围内2,4-DNT的气态THz吸收谱；中国首都师范大学探测了RDX， HMX， PETN在多种湿度下处于0.2～2.5 THz频段内的太赫兹光谱，并采用THz-TDS法对爆炸物爆炸物的吸收谱进行探测，探测了RDX， TNT，DNT的吸收谱，同时以RDX为主要成分的8701， R852， R791， PW30在0.2～2.5 THz频段内的THz吸收谱也在探测中[24]. 本文设计了太赫兹光谱检测系统对TNT炸药进行检测.光谱测量使用的太赫兹波可表示成各个频率分量的线性叠加，每个频率分量可表示为式中：和分别表示样品的两个界面的太赫兹电场透过率. 样品通过太赫兹波后，样品通过太赫兹波后，其衰减程度表示吸收率. 样品不同，其吸收率不同. 还有基于电场和功率的吸收率. 在通过太赫兹波检测炸药中的吸收谱测量中，样品的吸收率可表示为式中：I0是初始的太赫兹波功率; Is是经过样品后太赫兹波功率; m是太赫兹波经过的样品质量; α是基于单位质量的吸收率[25].本文采用爱德万公司的TAS7500SP进行光谱测量. 与传统光谱仪相比，TAS7500SP太赫兹光谱成像系统的处理速度快、集成度高、稳定性好. 其频率范围0.03～7 THz，动态范围≥60dB，扫描速度达8 ms/次，工作温度范围10～30 ℃，外形尺寸500×490×410 mm，便于移动，可在绝大多数室内温度下工作. 仪器采用的是太赫兹时域光谱技术，这是一种在飞秒超快激光技术上的远红外波段光谱测量技术，它通过利用物质吸收太赫兹波，从而引起低频运动来获得材料的特征谱线. 典型的太赫兹时域光谱系统[26] 如图 1 所示，由飞秒激光器(fs laser)、太赫兹发射极(InAs作为发射晶体)、太赫兹波探测极(ZnTe作为探测晶体)及时间延迟系统(光学透镜组成的delay line)组成. 飞秒激光器可以产生光脉冲，并且光脉冲可以被分束镜分为两种光源，分别为泵浦和探测光源. 泵浦脉冲可以通过可变的光学延迟线入射到太赫兹发射晶体InAs表面，产生激光斑点. 飞秒激光脉冲激发InAs晶体，使其表面耗尽层载流子发生跃迁，产生THz脉冲，然后被被离轴抛物面镜PM4聚焦到ZnTe晶体上. 探测光经过多次反射后通过偏振片P，之后由硅片将其反射到探测晶体上，与太赫兹脉冲聚焦在晶体上相同的位置. 太赫兹脉冲电场使脉冲偏振态发生改变，然后用电光晶体探测可知太赫兹脉冲电场的大小和变化. 当探测脉冲的偏振态发生改变，经过1/4波片QWP，调节起始测量的平衡点，差分探测器可测量到被偏振分束镜PBS分成的两偏振分量的强度差，经一个双眼光电探头连接到锁相放大器上放大，最后计算机进行数据采集和分析得到时域光谱. TAS7500SP系统内建有干燥空气单元，减少空气中水分对太赫兹波的吸收，提高了准确性.2.1 样品被测爆炸物为梯恩梯(2,4,6-Trinitrotoluene， TNT)，其分子式为C6H2CH3(NO2)3，即2,4,6-三硝基甲苯. 这是一种黄色粉末状的烈性炸药，可水下爆破，难溶于水、乙醇、乙醚，易溶于氯仿、苯、甲苯、丙酮，常用来做起爆药. 将其粉末制成直径为10 mm，厚度为4.13 mm的圆盘状压片进行检测，分析其光谱特性.2.2 实验结果在室温23 ℃的条件下，利用TAS7500SP太赫兹光谱系统得到了测试结果. 图 2 所示为透过4.13 mm厚的2,4,6-TNT粉末压片的时域光谱. 图中给出了0～130ps的波形，可以看出在17～20 ps, 62～65 ps之间存在脉冲的峰值， 20～60ps和65 ps之后均为强度在0附近的振荡. 造成太赫兹脉冲尾部振荡的原因有很多，不仅电光取样过程中相位匹配造成的频率过滤会造成太赫兹脉冲尾部振荡，而且电光晶体对太赫兹脉冲的色散吸收也会造成太赫兹脉冲尾部振荡. 另外，残留在空气中的水蒸气对太赫兹波的吸收也会导致太赫兹脉冲的振荡. 太赫兹脉冲的晶体探测材料中存在较强的TO声子共振，与TO声子共振频率接近的太赫兹脉冲会作为分散的声子激化极元传播.炸药的太赫兹频域谱可由其时域谱经过快速傅立叶变换(FFT)得到. 图 3 是TNT的太赫兹频域谱，可得TNT的共振吸收峰值.TNT的吸收系数如图 4 所示. 利用软件对光谱进行特征峰提取，可知在0～5 THz 的频谱范围内， TNT在4.547 12, 4.638 67, 4.882 81 THz处有显著的特征吸收尖峰. 由图 5 可知， TNT反射光谱在0.251 77,0.427 25,0.633 24,1.41907,1.663 21 THz处存在峰值. 反射率在4.585 27 THz 处存在明显峰值. 由图 6 可知， TNT透射光谱在0.480 65 THz处有明显峰值，透射在4.013 06, 4.203 8, 4.257 2, 4.348 75, 4.432 68, 4.585 27, 4.844 67 THz处有显著峰值. 这些特征峰值可作为TNT炸药的指纹谱，在实际的安检过程中可使用太赫兹光谱识别，从而实现对TNT的探测. 表 1 为TNT实验测得的吸收峰和文献记载峰位，可以看出实验测得的吸收峰位置与文献记载峰位基本吻合且丰富了TNT在低频太赫兹区域的光谱特性.本文对TNT的太赫兹光谱进行了探测，得到了其在0.1～5 THz波段的时域光谱、频域谱、吸收系数、反射谱、反射率、透射比、透射光谱. 用Origin软件对光谱进行了寻峰操作，找出了TNT炸药的指纹位置. TNT炸药在太赫兹波段独特的吸收性体现了太赫兹光谱技术在爆炸物探测和识别方面重要的应用价值，同时也丰富了爆炸物的太赫兹光谱指纹库.。
激光在大气中驱动的强太赫兹辐射的理论和实验研究
激光在大气中驱动的强太赫兹辐射的理论和实验研究王伟民;张亮亮;李玉同;盛政明;张杰【摘要】两束双色激光脉冲能在大气中产生MV/cm的强太赫兹波.本文主要介绍了我们最近的三项理论和实验工作,澄清了双色激光方案的物理机制这个长期存在的问题,并对该方案进行了推广.为了在气体中有效地产生太赫兹波,在广泛研究的双色激光方案中两束激光的频率比ω2/ω1总是被取为1:2.首先从理论上预测采用其他频率比时,此方案仍能有效地工作,并通过实验进行证实.实验上观察到在新的频率比ω2/ω1=1:4,2:3下,也能有效地产生太赫兹波;观察到通过旋转较长波长的激光脉冲的偏振方向,能够有效地调节太赫兹波的偏振,但是旋转波长较短的激光脉冲的偏振方向,太赫兹波的偏振几乎没有变化,这违背了多波混频理论中极化率张量对称性的要求;采用不同的频率比时,太赫兹能量定标率并没有显示出明显的区别,这与多波混频理论预测的能量定标率不符.这些实验结果与等离子体电流模型及粒子模拟结果符合得很好.因此,该研究不仅对双色激光方案进行了推广,而且证实了其物理机制应该归结为等离子体电流模型.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2018(067)012【总页数】11页(P68-78)【关键词】太赫兹辐射;光电离;激光等离子体相互作用;粒子模拟【作者】王伟民;张亮亮;李玉同;盛政明;张杰【作者单位】中国科学院物理研究所, 北京凝聚态物理国家研究中心, 北京 100190;首都师范大学物理系, 北京 100048;中国科学院物理研究所, 北京凝聚态物理国家研究中心, 北京 100190;中国科学院大学物理科学学院, 北京 100049;上海交通大学物理与天文学院, 上海 200240;中国科学院大学物理科学学院, 北京 100049;上海交通大学物理与天文学院, 上海 200240【正文语种】中文1 引言如何获得参数可调的强太赫兹辐射源是目前太赫兹研究中最重要的问题之一.一方面,高功率太赫兹波可以用于太赫兹通信、快速太赫兹成像等领域[1].另一方面,强太赫兹辐射可以用来开展目前几乎还是空白的强太赫兹辐射与物质非线性相互作用的基础研究,譬如强太赫兹抽运半导体、金属、超导体等关联电子材料引起的光电新特性,短脉冲强太赫兹引起的半导体、超导体相变和非平衡态诱发等,太赫兹非线性光学,材料的强磁场效应等.过去二十多年的研究表明:强激光驱动的等离子体可以产生参数可调的强太赫兹辐射源[2−12].譬如中国科学院物理研究所强场物理课题组[5,13,14]和德国耶拿大学[6]分别采用脉宽约100 fs、聚焦强度高于1018W/cm2的相对论强激光作用固体靶,在靶前和靶后均观察到毫焦量级、超宽频谱的强太赫兹波.靶前产生的太赫兹波在低激光对比度条件下可归结为线性模式转换机制[4],在高对比度条件下可归结为表面电流机制[5].靶后产生的太赫兹波大致可以归结为渡越辐射机制[14].用强度为1014—1015W/cm2激光脉冲作用气体可以产生线偏振[3,15−19]、椭圆偏振[20−23]、径向偏振[10]的太赫兹辐射.这些基于强激光与等离子体相互作用的方案中,Cook和Hochstrasser在2000年提出的双色激光方案[3]因为技术简单和转化效率高的原因得到最广泛的研究,在此方案中通常用一束常规的800 nm飞秒激光(基频波)穿过一块倍频晶体产生400 nm激光(倍频波),后者与剩余的800 nm激光混合,在大气中就能产生MV/cm量级、线偏振、准单周期的强太赫兹波[3,15−19].在2017年以前的实验中,双色方案实验中采用的两束激光频率比始终固定在ω2/ω1=1:2.尽管在最近的两个实验中为了把太赫兹波强度提高到接近10MV/cm[24,25]而采用了波长更长的基频激光,但是两束激光频率比依然固定在1:2.2013年,我们最早从理论上研究了采用其他非常规激光频率比产生太赫兹波的可能性[26],发现:两束激光的频率比ω2/ω1=1:2n(n为正整数)就可以产生太赫兹波,当ω2/ω1=1:(2n+1)时不能产生太赫兹波.接着,Kostin等[27]在2016年、本课题组[28]在2017年根据不同的理论模型均发现了两束激光的频率比ω2/ω1还可以推广到其他更多的频率比.我们的粒子模拟和理论分析结果表明,Kostin等采用的理论模型及得到的结论是不正确的,并进一步把能够产生太赫兹波的频率比推广到ω2/ω1=2n,n+1/2,n±1/3三个系列,其中2n和n+1/2系列最稳定,也能最高效地产生太赫兹波[28].这些理论预测在2017年首次被中国科学院物理研究所和首都师范大学联合团队的实验证实[29].在实验中把ω1激光的波长分别固定在800 nm和400 nm时,对ω2激光波长从1200 nm到1600 nm进行细致的扫描,观察到太赫兹能量的峰值点分别出现在ω2/ω1=1:4,1:2和2:3三个值附近,并且这三个峰值处的太赫兹波能量处于相同的量级.除了证实了之前的理论预测以外[26−28],实验中还观察到通过旋转ω2激光的偏振可以对太赫兹波的偏振进行调控,但是旋转ω1激光时这种偏振调控方法失效(注意:在本文中我们把ω1激光定义为较高频的激光,ω2激光为较低频的激光).这些观察结果与粒子模拟结果相符.由于这些实验[29]采用了不同于1:2的非常规的激光频率比,它为澄清太赫兹辐射机制提供了新的突破口.自从2000年提出双色激光方案以来的十多年里,太赫兹辐射的物理机制应该归结为最初提出的非线性光学的多波混频机制[3,15,30],还是后来提出的等离子体电流机制[16,17],或者两种机制均起作用,一直是一个被频繁讨论的问题,但至今仍没有定论.首先,多波混频理论预测当采用不同的激光频率比时,太赫兹能量应该遵守不同的定标率,如在原始方案中太赫兹能量εTHz正比于(P1)(P2)2(这里P1和P2表示两束激光的峰值功率);当两束激光的频率比为1:4和2:3时,εTHz 正比于(P1)(P2)4和(P1)2(P2)3.但是,在实验中观察到εTHz对P1和P2的依赖关系很复杂,并且当采用不同的激光频率比时太赫兹能量的定标率并没有表现出明显的区别.其次,实验观察到太赫兹偏振仅能通过旋转较低频率的激光的偏振来实现,这与多波混频(大气中)理论中要求的极化率张量的对称性不相符[15].本文接下来的内容包括:首先简单介绍我们在2013年和2017年的两个理论工作[26,28],通过粒子模拟和解析分析讨论了双色激光方案推广到其他非常规激光频率比的可能性及其条件;然后,详细地介绍我们在2017年的实验和理论分析[29],证实了以上理论预测.2 理论预测:对双色激光方案的推广2013年,我们利用一个基于等离子体电流理论的解析模型,分析第二束激光为第一束激光(主激光)频率的任意整数谐波时产生太赫兹辐射的特性[26].根据此模型得到第二束激光频率的选择定则:当第二束激光频率为主激光的任意奇数谐波时,无太赫兹波产生,这是由于激光对气体的电离具有严格的对称性,因而电离产生的总电流为0;当第二束激光频率为主激光的任意偶次谐波时,可以产生太赫兹波,这是由于两束激光对气体的电离的对称性被打破,因而电离产生的总电流比较强.当第二束激光频率为主激光的任意偶次谐波时,得到太赫兹场强对两束激光相位差θ0和截波包络相位的依赖关系为其中m为第二束激光频率对应的谐波阶数.以上结果与粒子模拟结果符合得很好,如图1所示:当第二束激光频率取为主激光频率的2,4,6倍频时均有太赫兹波产生;产生的太赫兹波强度随着激光频率增加而减小;太赫兹波强度随激光相位差呈余弦关系,并且2和6倍频情形满足−cos(θ)关系,4倍频情形满足cos(θ)关系,这与方程(1)一致.图1 产生的太赫兹波强度随两束激光相位差的变化曲线(KLAPS粒子模拟结果) (a)和(b)对应的主激光强度分别为1014和1015W/cm2[26]Fig.1.Amplitudes of THz electric fi elds versus the relative phases of the second lasers with di ff erent frequencies.The circular,square and triangular points show particle-incell simulation results and the solid lines are cosine curves.Intensities of the main lasers are taken as 1014W/cm2in(a)and1015W/cm2in(b),respectively.The second laser intensities are taken to be 25%of the main laser[26].图2 产生的太赫兹波强度随两束激光频率比值的变化曲线(KLAPS粒子模拟结果),其中(a),(b),(c)分别对应着两束激光频率比为1:2n,1:(n+1/2),1:(n±1/3)的三个系列,每幅图中的两条曲线分别对应着不同的激光强度[28]Fig.2. The THz fi eld strength as a function of the two-color laser frequency ratio,whereplots(a),(b),(c)correspond to di ff erent series of 1:2n,1:(n+1/2),and1:(n±1/3)as well as the two curves in each plot correspond to laser intensities of 1014W/cm2and 4×1014W/cm2,respectively[28].理论分析和粒子模拟结果均表明:第二束激光频率越低,产生的太赫兹波越强,因此它为二倍频光时,对太赫兹波的产生最有利.这是由于激光频率越高,在一个基频激光周期内的电离点数目会越多,不同电离点上产生的电子会具有方向相反的速度,因而产生的电流相互抵消,不利于太赫兹辐射的产生;反之,激光频率越低,在一个基频激光周期内的电离点数目会越少,一个基频激光周期内所有的电离点上产生的电子可能会具有方向相同的速度,因而产生的电流相互加强,从而产生的太赫兹辐射增强.进一步地,粒子模拟结果表明[28]:除了1:2n以外的频率组合,双色激光方案还可以推广到1:(n+1/2),1:(n±1/3),这两个系列的频率组合也能稳定和有效地产生太赫兹辐射.对应的粒子模拟结果见图2.3 实验3.1 实验装置图3(a)为实验装置图.Ti:Sapphire激光装置(Spit fi re,Spectra Physics)输出中心波长为800 nm、脉冲宽度为50 fs、重复频率为1 kHz的抽运激光脉冲.抽运脉冲的总能量为5.3 mJ,它被分成两束,第一束激光脉冲能量为3.5 mJ用于驱动光学参数放大器(TOPAS),从光学参数放大器中输出的激光脉冲波长可以在1200 nm到1600 nm间调节(ω2激光);剩余的激光脉冲被直接作为波长为800 nm的ω1激光(如图3(c)).在另一组实验中(见图3(d)),800 nm激光脉冲穿过一块BBO(偏硼酸钡)晶体和滤波器以产生波长为400 nm的激光脉冲(ω1激光).用一块双色镜让ω1和ω2激光脉冲同轴传输,再用两块焦距长度(f=12.5 cm)相同的透镜对两束激光进行聚焦.一开始,两束线偏振激光的偏振方向均在水平方向上,它们的偏振能通过半波片分别调节.利用衰减片,两束激光的功率也能分别进行调节.两束激光在大气中能产生长度为毫米量级的等离子体通道.用一个离轴抛物镜来收集和准直从气体等离子体中产生的前向传输的太赫兹波,并且滤波器(TydexLtd.)把两束多余的抽运激光消除掉.为了测量太赫兹波的水平和垂直分量,用到了太赫兹偏振片.一个Golay太赫兹探测器(6mm金刚石窗口,Microtech SN:220712-D)用来探测太赫兹能量,其中此探测器对0.1—150 THz 波段的电磁波的响应曲线几乎是平的.电压信号送到锁相放大器参考15 Hz调制频率.为了获得太赫兹辐射的带宽,利用硅晶片作为分光片,用迈克耳孙干涉仪进行自相关测量.图3 实验布局图和实验结果[29] (a)实验布局图,L表示透镜;DM表示双色镜;PM表示抛物镜;(b)—(d)实验结果,其中(c)和(d)中“×”点为实验结果,实线为KLAPS粒子模拟(PIC)结果;(b)当两束激光频率比ω2/ω1=1:4和2:3时,自相关测量获得的太赫兹时间波形,其中太赫兹波功率是以800 nm激光和1600 nm激光产生的太赫兹波功率为单位;(c)中第一束激光波长为800 nm,第二束激光波长在1200 nm到1600 nm间变化,发现太赫兹波能量峰值出现在1200 nm和1600 nm 附近(波长比为3:2和2:1);(d)中第一束激光波长为400 nm,当第二束激光波长为1600 nm 时,出现太赫兹波能量峰值,对应的波长比为4:1,在两幅图中“×”点为实验结果,实线为KLAPS粒子模拟(PIC)结果Fig.3. Experimental results andsetup[29]:(a)Experimental setup(L,lens;DM,dichromatic mirror;PM,parabolic mirrors);(b)THz waveforms with ω2/ω1=1:4 and 2:3,respectively,obtained from the autocorrelation measurements,in which the THz powers are normalized by the one with the 800 nm and 1600 nm pulses;(c),(d)THz energy as a function of the second pulse wavelength λ2,where the fi rst pulse wavelength λ1is fi xe d as 800 nm in(c)and 400 nm in(d);powers of the two pulses are taken as P1=120 mW and P2=400 mW in(c)and P1=180 mW and P2=250 mW in(d).3.2 实验与模拟结果图4 对太赫兹波偏振的调节——太赫兹波水平和垂直分量能量随一束激光偏振旋转角θ的变化[29](a),(b)采用400 nm和1600 nm激光组合;(c),(d)采用800 nm 和1200 nm激光组合;两束激光初始偏振均在水平方向上,然后分别旋转1600 nm 激光的偏振(a),400 nm激光的偏振(b),旋转1200 nm激光的偏振(c),800 nm激光的偏振(d)让其具有垂直方向的分量;图中“o”点为实验结果,实线为KLAPS粒子模拟(PIC)结果Fig.4.Dependency of THz polarization[29]:THz energies of the horizontal and vertical components as a function of the rotation angle θ of the fi eld polarization of(a)the 1600 nm pulse,(b)400 nm pulse,(c)1200 nmpulse,and(d)800 nm pulse,respectively,where when polarization of one pulse is rotated,polarization of the other pulse is fi xed at the horizontal.Experimental results are shown by crosses and circles and particle-in-cell results by lines.The left column corresponds to the case with the 400 nm(with 180 mW)and 1600 nm(250 mW)pulses and the right to the case with the 800 nm(120 mW)and 1200 nm(400 mW)pulses.图5 太赫兹波能量随激光峰值功率的变化[29] (a),(b)采用400 nm和1600 nm激光组合;(c),(d)采用800 nm和1200 nm激光组合;图中“×”点为实验结果,实线为KLAPS粒子模拟(PIC)结果;当激光功率比较低时(曲线的开始阶段),在不同波长比情形均满足线性定标率Fig.5.Dependency of THz polarization[29]:THz energies of the horizontal and vertical components as a function of the rotation angle θ of the fi eld polarization of(a)the 1600 nm pulse,(b)400 nm pulse,(c)1200 nm pulse,and(d)800 nm pulse,respectively,where when polarization of one pulse is rotated,polarization of the other pulse is fi xed at the horizontal.Experimental results are shown by crosses and circles and particle-in-cell results by lines.The left column corresponds to the case with the 400 nm(with 180 mW)and 1600 nm(250 mW)pulses and the right to the case with the 800 nm(120 mW)and 1200 nm(400 mW)pulses.我们首先给出实验和粒子模拟(PIC)结果,然后用一个基于等离子体电流模型的理论分析进行解释.在实验中观察到的太赫兹产生对ω2/ω1、激光偏振、激光功率的依赖关系如图3(b)—图5所示,在这些图中也包括粒子模拟结果(除图3(b)以外).首先,图3(b)给出了实验中探测到的太赫兹时间波形,可以看到当采用ω2/ω1=1:4和2:3时产生的太赫兹波与采用ω2/ω1=1:2时产生的太赫兹波比较,其峰值功率分别为后者的30%和10%左右.在图3(c)中对ω2激光的波长在1200—1600 nm间进行扫描,可以看到太赫兹波仅在ω2/ω1=2:3和1:2附近有效产生,其中ω1激光的波长固定在800 nm.在图3(d)中ω1激光的波长固定在400 nm,太赫兹波仅在ω2/ω1=1:4附近有效产生.注意到实验中观察的太赫兹能量峰出现的位置与粒子模拟中预测的ω2/ω1=1:4,2:3,1:2时的结果有一个小的偏差,在实验中ω2激光的波长值偏离粒子模拟获得的波长值10—20 nm.这主要是由从TOPAS中输出的激光波长有小的偏差造成的.其次,图4显示太赫兹波的偏振能够通过旋转ω2激光 (较长波长)的偏振来调节,但是旋转ω1激光的偏振几乎不改变太赫兹偏振.当ω2/ω1=1:4(图4(a)和图4(b)),ω2/ω1=2:3(图4(c)和图4(d)),ω2/ω1=1:2时均能观察到类似的结果.例如,在图4(a)中当ω2/ω1=1:4时,波长为1600 nm的ω2激光的偏振从水平方向旋转到垂直方向时,太赫兹波的水平分量持续减弱,其垂直分量先增强再减弱,这一现象与其他作者采用ω2/ω1=1:2时得到的实验结果类似.但是,波长为400 nm的ω2激光偏振旋转时,太赫兹波的垂直分量始终保持着一个较低的水平,如图4(b)所示,其中太赫兹波的垂直分量的水平与旋转角θ=0◦和90◦时相当,因此认为其处于噪声水平.以上实验结果与粒子模拟结果符合得很好.再次,太赫兹能量对激光功率的依赖与多波混频理论预测的能量定标率不符,如图5所示.图5中ω2/ω1=1:4和2:3对应的两条曲线显示出复杂的依赖关系.特别地,所有曲线在开始阶段均显示出太赫兹能量对激光功率线性的依赖关系,这与粒子模拟结果大致吻合.4 理论分析粒子模拟结果(辐射的近场分布)和实验结果(辐射的远场分布)的一致性表明在实验中观察到的太赫兹远场分布应该主要来自于激光脉冲经过自聚焦达到最高场强时在大气中形成的一小段等离子体辐射,其中粒子模拟计算了这段气体与激光的相互作用过程.在粒子模拟中采用了一段0.6 mm长的氮气,采用了与实验相同的激光参数,并假设激光传输到这段气体的前沿时激光脉冲刚好达到它的最高光强(1014—1015W/cm2量级),此时激光的焦斑半径为50µm.此粒子模拟结果用KLAPS程序计算得到[31],此程序包括计算气体场电离的蒙特卡罗方法,产生的自由电子的运动用相对论的运动方程进行计算,用完整的麦克斯韦方程组计算激光和太赫兹波的产生和传输.因此,KLAPS粒子模拟程序能自洽地计算等离子体的产生、净电流通过激光场电离的形成过程、净电流在等离子体中的演化以及太赫兹波的产生.该粒子模拟得到太赫兹波的近场解时几乎没有近似.一般可以认为实验上观察到的太赫兹波的远场结果是由所有近场太赫兹辐射源组成的[19].为了解释粒子模拟结果和实验结果,做了一个基于等离子体电流模型的理论分析.2007年,Kim等[16]首先提出双色激光场气体电离过程中的不对称性导致了电流的形成.但是他们的模型无法解释实验中观察到的电磁波为什么是准单周期波形,及其频率为什么处于太赫兹波段.2008年,我们[17]指出激光电离形成的等离子体至关重要,并提出了一个等离子体电流模型(为近场模型):首先等离子体把净电流调制成振荡电流,其频率处于等离子体本征振荡频率ωp,因而该电流辐射的电磁波频率为ωp;因为频率为ωp的电磁波在等离子体中的折射率为0而被强烈吸收,因而只有距等离子体边界足够近的区域(接近1个趋肤长度ωp/c)产生的电磁辐射能最终进入真空/大气中,并且该辐射源随时间逐渐衰减,因此在大气中观察到的电磁波为准单周期波形.2011年,我们从该等离子体模型出发,推导出太赫兹辐射波形的解析解[32],并在2015年把此模型推广到磁化等离子体中[23],发现在外加磁场下太赫兹波变成圆偏振,其波形由单周期变成多周期,其频率可由磁场强度线性调节.在等离子体电流理论中,太赫兹波的产生过程包括两个过程:首先净电流通过光场电离产生,然后净电流被等离子体调制产生了太赫兹辐射.第一个过程持续的时间少于激光脉冲宽度(脉冲宽度为50 fs),第二个过程的时间尺度为皮秒量级.因此可以认为第一个过程发生后,第二个过程才开始发生,这样可以把两个过程分开计算.电离形成的净电流[17]J0=−enev0能够写为其中v0= −eAL(ψ0)/(mec),AL是激光场矢势;ψ=t−z/c,ψ0为电子通过电离过程产生的位置.注意到当采用不同的ω2/ω1=1:4,1:2,2:3时,两束激光仍然会组成周期性的电场(忽略激光包络的变化时),因此电子会被周期性地产生,并且电子会在每个周期中相同的位置产生,具体细节请见文献[28].形成的等离子体电子密度可以写为∂ne/∂t=(na− ne)w(EL),其中w(EL)为电离率[33],EL为激光电场强度,ne和na为电子密度和氮原子初始密度.当激光离开后,产生的太赫兹波与等离子体电流相互作用,因此电子速度变成v=v0+eATHz/(mec),即等离子体电流变成J=J0−e2neATHz/(mec),其中太赫兹波的优质动力(二阶非线性项)太弱,只考虑了太赫兹波对电子洛仑兹力的一阶项.这样,太赫兹波的产生可以由下面的方程进行描述:其中是等离子体本征振荡频率.由于太赫兹波的脉冲宽度大于其横向尺寸(∼50µm),一维近似是不适用的[32],因此方程(3)的解析解很难给出.下面的理论分析将对方程(2)做数值解,对方程(3)做简单分析即可解释以上的实验结果.4.1 太赫兹波对激光频率比的依赖从方程(2)和(3)出发,能得到太赫兹波场强ATHz∝J0∝AL(ψ0).太赫兹波能量峰值会出现在AL(ψ0)处.我们的计算显示AL(ψ0)具有三个峰值点,分别位于ω2/ω1=1:4,1:2,2:3.为了定量地比较这三个峰值点上的太赫兹能量,通过方程(2)数值计算了AL(ψ0),neJ0和J0,得到的结果显示:当ω2/ω1=1:4,1:2,2:3时,得到J0的比值为0.29:1:(−0.58),即对应的太赫兹能量比值应该为0.084:1:0.34.这与实验中得到的0.097:1:0.26相符,如图3(c)和图3(d)所示.4.2 太赫兹波偏振根据方程(2)和(3),如果两束激光的偏振方向均沿着x方向,那么太赫兹波将只有x 方向的电场分量.如果对一束激光的偏振进行旋转,让它的电场也具有y方向的分量,那么太赫兹波可能同时具有x和y两个方向的分量.取激光电场为其中θ为激光的旋转角,f(ψ)为激光的包络形状.那么激光的矢势可以写成这里已经考虑了激光脉冲宽度为50 fs时ω1和ω2.电子在激光强度峰值处产生,即满足当θ=0时,数值解以上方程可以得到ω2ψ0=1.937,其中通过激光功率P400 nm=180 mW和P1600 nm=250 mW分别计算得到a1和a2.数值计算显示ψ0略微随θ的改变而改变,这是因为当ω2ψ0=1.937时, 这表明当cos(θ)从1变到0时(θ从0变到π/2),只需要对ψ0做一个小量ε变化即可让总是成立.因此, 随着θ从0增加到π/2,|EL(ψ0)|和|AL,x(ψ0)|均减小,这里AL,x(ψ0)<0,cos(ω2ψ0)<0.|EL(ψ0)|和|AL,x(ψ0)|的减小导致了电离率和电子速度减小,这就可以解释在图4(a)中显示的太赫兹波水平分量(x方向)随θ的变化规律.在这幅图中太赫兹波的垂直分量首先增强,然后减弱,这是由于|AL,y(ψ0)|随θ的增加而增加和|EL(ψ0)|随θ的增加而减小导致的.实验观察到太赫兹波垂直分量的峰值出现在θ=60o附近,这与粒子模拟结果比较接近.进一步地,粒子模拟显示最优化的θ在40◦—70◦区间变化,它依赖于激光强度和频率,由随θ增加的|AL,y(ψ0)|和随θ减小的|EL(ψ0)|之间的平衡位置决定.在图4(b)中旋转波长为400 nm激光(ω1激光)的偏振时,太赫兹波垂直分量始终保持着一个较低水平(在实验结果中它在噪声水平,在粒子模拟中它接近0). 其解释如下. 无论旋转ω1激光还是旋转ω2激光,|EL|是不变的,因此当θ=0时,给出了相同的结果ω2ψ0=1.937,ψ0略微随θ变化.因此,在图4(b)中太赫兹波的水平分量随θ的变化规律与图4(a)类似.但是,太赫兹波的垂直分量强烈地依赖于激光频率或波长.当旋转ω1激光时,cf(ψ0)a1sin(θ)cos(ω1ψ0)/ω1. 当旋转ω2激光时, 这样能够得到其中在推导过程中已经采用了a1ω1cos(ω1ψ0)= 此结果从得到,这样利用了ψ0略微随θ变化. 通过方程(4),可以得到太赫兹波垂直分量的能量下降到1/256≃0.004,当把旋转的激光由ω2激光变成ω1激光时,这里ω2/ω1=1:4;当ω2/ω1=2:3时,太赫兹波垂直分量的能量下降到16/81≃0.2.这与图4(b)和图4(d)中的粒子模拟结果符合得很好.注意到实验中无法分辨低水平的太赫兹能量,实验中观察到太赫兹波垂直分量的能量几乎不随θ变化.当采用波长为800 nm和1600 nm的双色激光时,可以观察到相似的实验结果.以上在实验中观察到的太赫兹偏振特性与多波混频理论的预测是不符的[15]. 例如,当ω2/ω1=1:4时大气中五阶极化率张量χ的对称性要求其中χ的上标表示太赫兹波的偏振方向,下标表示1个ω1激光光子和四个ω2激光光子的偏振方向.很显然,要求图4(a)中太赫兹波的水平分量能量与图4(b)中太赫兹波的垂直分量能量相当.相反地,图4(a)和图4(b)的结果表明4.3 太赫兹波能量定标率图5显示:当ω2/ω1=1:4和2:3时,太赫兹波能量对激光功率的定标率比较复杂,强烈地偏离多波混频理论预测的定标率(P1)(P2)4和(P1)2(P2)3(分别对应着ω2/ω1=1:4和2:3).这可以归结为电离率对激光强度的复杂依赖关系,实验中激光功率或强度变化跨越了两个数量级的区间,这为理论分析带来了难度.但是,当把一束激光的功率的变化限定在一个小的区间[Pa,Pb]内,并且第二束激光的功率固定在一个高得多的值Pc,即Pc≫Pb时,理论分析会简化很多.在这种情形下,随着第一束激光功率在[Pa,Pb]内变化,气体电离率几乎不随电离位置ψ0变化.以上描述的条件对应着图5中四幅图中每条曲线的开始阶段.当两束激光的偏振方向相同时容易得到∂ψ或者如上分析,当激光功率满足P1≫ P2和P1≪ P2时,ψ0几乎不随两束激光场强a1和a2的改变而变化.因此,|AL,x(ψ0)|线性地正比于a1或a2,即太赫兹能量线性。
THz光谱技术检测DNAN炸药含量的研究
从而确定炸药的种类 。 虽然 其准 确度高和 精密度 好 ， 但难 于 在线实时检测 ， 且放射性强 。 核磁共振探测技术［ １ １ ］ 是指 利用 不 同分析结构的氢核不 同的共振特性 ， 来 鉴别物质 中的含氢
量 。由于核磁共振信号强度与此物质 的含氢量成 正 比，通过 探测物质 的含氢量可 以间接 的识别某些 特定 的爆炸物 。这种
作者简介 ： 王
高， １ ９ ７ ３ 年生 ， 中北大学 电子技术测试国家重 点实验室副教授
ｅ － ｍ ａ ｉ ｌ ； ｇ ｘ ｘ ￣ｎ ｕ ｍ ｅ ｄ ｕ ． ａ ｌ ｌ
３ ０ ０ ０ ７ ２ ０ ３ ０ ０ ５ １
摘
要
为 了对一种新型低感熔铸炸药 （ ＤＮ ＡＮ） 含量进行检测 ，设计 了 ＴＨｚ 光谱相 干探 测系统 ，检测确定
了 ＤＮＡ Ｎ 的 ＴＨｚ 特征波长位置 ，又利用 比尔朗伯定律求解 了 Ｄ ＮＡＮ的含量 。 设 计 了由主控 系统 控制步进
关键词 太赫兹 ；炸药检测 ；特征吸收峰 ； ２ ， ４ － 二硝基苯 甲醚
文 献 标 识 码 ：Ａ Ｄ ＯＩ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ｉ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ３ ｝ ０ ４ — ０ ８ ８ ６ — ０ ４
中 图分 类 号 ： Байду номын сангаасＱ５ ６ Ｏ ． １
移谱技术［ １ 是对 微量 化学 物 质进 行检 测 的一 种物 理 方法 ，
在探测毒品和爆炸物方面获得了广泛的应用 。但该技术选 择
性不佳 ， 较 难进行定 量分析 ，当被 测物质不 纯净时 ，还会 引
起严重 的基体效应 。
太赫兹 （ Ｔ Ｈｚ ） 检测 技术Ｄ ｓ ， １ ４ ］ 是 红外 向微波 波段 应 用 的 延伸 ，由于多种有机物在此波段上存在 特征 吸收峰 ， 所 以采 用此波段对爆 炸物进行定性定 量分析精度 高 、稳定性好 。本 工作设计 了 ＴＨｚ 光谱检测 系统 对 Ｄ ＮＡ Ｎ炸药进行检测 。
爆炸物太赫兹光谱探测技术研究进展
激光与光电子学进展48,013001(2011)L a ser &Opt oe l e ct ro nics P ro gress 2011 中国激光 杂志社爆炸物太赫兹光谱探测技术研究进展王 高1,2,3 周汉昌3 姚宝岱3 徐德刚1,2 姚建铨1,21天津大学精密仪器学院激光与光电子研究所,天津3000722天津大学光信息技术科学教育部重点实验室,天津3000723中北大学仪器与动态测试教育部重点实验室,山西太原030051摘要 近年来,随着太赫兹(T H z)技术的快速发展,它在安检、航空航天、生命科学、化学等领域展现了巨大的应用前景。
在安检领域,由于许多炸药及其相关材料在太赫兹波段具有特征吸收谱,许多非金属、非极性材料对太赫兹波是透明的,因此爆炸物太赫兹光谱探测技术具有巨大的潜力,受到了国内外的高度重视。
介绍了国内外利用太赫兹波进行爆炸物光谱探测技术的研究现状及太赫兹光谱探测技术的新进展,综述了在固态爆炸物和气态爆炸物的特征吸收光谱研究方向所取得的成果。
最后总结了目前存在的技术难题,展望了未来的发展趋势。
关键词 太赫兹;特征吸收光谱;爆炸物检测中图分类号 T N 247 文献标识码 A doi:10.3788/LOP 48.013001Progre ss of Terahe rtz Spe ctroscopy Detection Technique of ExplosivesWang Gao1,2,3 Zhou Hanchang 3 Yao Bao dai 3 Xu Degang 1,2 Yao Jianquan 1,21Instit ute of La ser an d Optoelectr on ics ,Coll ege of Pr ecision Instr u m en t a nd Optoelect r onics En gin eer in g ,T ia n jin Un iver si ty ,T ian jin 300072,Chin a2Key La bor a tor y of Opto Electr on ics In for m a tion an d T echnica l Scien ce ,M in istr y of Educat ion ,T ia n jin Un iver si ty ,T ian jin 300072,Chin a3Key La bor a tor y of Instr u m en t Scien ce a n d Dy na m ic M ea sur em en t ,M inistr y of Educa tion ,Nor t h Univ er sity of China ,T a iyu an ,Shan x i 030051,ChinaAbstract With the rapid development of the terahertz spectroscopy technique,it has shown great applic ationprospect in the field of safety inspection,aerospace,life science and chemistry.In inspection field,most explosivesand related compounds have c haracteristic absorption and many nonmetal and nonplority ma terials are transparent toterahertz wave,so it has shown significant potential for the safety inspection and acquired great at tention at homeand aboard.The abroad and domestic research status of the explosives detection using terahertz spec troscopytechnique and the progress of terahertz spectroscopy tec hnique was introduced.Then the the achievements of thesolid and gaseous explosives c hara cteristic absorption spectrum were concluded.Finally the existing techniquediffic ulties were summed up and the future development trend was outlooked.Key wo rds terahertz,c harac teristic absorption spectrum,explosive detectionOCIS co des 300.6495;300.6170;300.1030收稿日期:2010 07 16;收到修改稿日期:2010 09 01基金项目:国家973计划(20070CB 310403)、国家自然科学基金面上项目(60801017)和中北大学校自然科学基金资助课题。
爆炸性物质的太赫兹_THz_光谱分析
（４）ＨＭＸ，环四次甲基四硝胺［钝感的］ ：
图８ 吸收谱 图９ 折射率谱
如上图所示，我们对四种不同爆炸性物质的电光 取样时间分辨光谱进行了比较，并由此得到了这些材 料的在 Ｔ Ｈ ｚ 波段的吸收谱和色散关系。结果表明，这 四种爆炸性样品在 ０－２．５ＴＨｚ 的频率范围内均存在特征
我们采用软件模拟计算和实验测量相结合的方 法，对若干爆炸性物质进行了一些研究，获得各自的 ＴＨｚ 指纹谱，填补了几种分子在 ＴＨｚ 波段的指纹谱空 白，这对光谱物理学是有一定现实意义的。如果在此 基础上，进行数据分析和光谱解析，形成一套行之有 效的实验和解析方法，利用得到的爆炸性物质分子在 ＴＨｚ 波段的特征吸收谱就可以建立起一套爆炸性物质 的 ＴＨｚ 光谱数据库。
３．１ 数据处理 分别将测量得到的参考和透过样品的 ＴＨｚ 时域谱
进行快速傅里叶变换获得相应频域谱，透射系数 Ｔ（ω，φ）＝Ｅｓａｍｐｌｅ（ω，φ）／Ｅｒｅｆ（ω，φ） （ １）
根据固体光学理论，样品的复折射率 n~ ? n ? i k ，
４ 结论和展望
展望未来，ＴＨｚ 光谱技术所具有的相干探测方法、 高的时间分辨率和高灵敏度以及相对的简单性为人们 展现了一个全新的光谱学研究视角，也给光谱学研究 者提供了新的机遇。另外，ＴＨｚ 对于电介质材料、塑 料纸箱等包装材料有很强的穿透力，可以对已包装的 物品进行成像和安全质检，因此能够用于快速检测信 封或衣服等包藏起来的如毒品、爆炸物等特殊物质。 可以预见，ＴＨｚ 光谱技术将在化学基础研究、材料科 学、生物学、医学疾病诊断以及军事等许多领域展现 出巨大的应用潜力，并且随着研究的不断深入，该技
我们对四种典型的具有整体爆炸危险的炸药进行 了 ＴＨｚ 时间分辨光谱测量，其中包括：（１）ＴＮＴ，２，４， ６－ 三硝基甲苯，磷状结晶片，淡黄色，分子式 Ｃ７Ｈ５Ｎ３Ｏ６， 有毒，在地雷等爆炸后会残留在土壤中；（２）ＲＤＸ，环 三次甲基三硝胺［钝感的］，俗称黑索今或旋风炸药，分 子式 Ｃ ３Ｈ ６Ｎ ６Ｏ ６，粉红色粉末压片，通常用来与其他爆 炸材料和可塑剂混合制成塑胶炸药；（３）ＤＮＴ，２，４－ 二 硝基甲苯，是军用炸药的主要成分，蒸汽压力高于 Ｔ Ｎ Ｔ ，探测其蒸汽浓度可以发现隐藏的地雷或未爆炸 的军火；（４ ）Ｈ Ｍ Ｘ ，环四次甲基四硝胺［ 钝感的］ ，俗 称奥克托金，分子式 Ｃ４Ｈ８Ｎ８Ｏ８，白色细腻粉末压片，是 生产 ＲＤＸ 的副产品，由于爆炸速率极高而与 ＴＮＴ 等混 合作为形状填料。
基于太赫兹光谱技术的爆炸物类危险品检测
激光与光电子学进展４９，０４０００６（２０１２）Ｌａｓｅｒ ＆Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｐｒｏｇｒｅｓｓ○Ｃ２０１２《中国激光》杂志社基于太赫兹光谱技术的爆炸物类危险品检测卢树华１，２（１中国人民公安大学安全防范系，北京１０２４１６；２中国人民公安大学公安部安全防范重点实验室，北京１０２４１６）摘要 太赫兹（ＴＨｚ）光谱技术识别爆炸物类危险品是一种极具竞争力的新型安检方法。
总结了不同研究机构的爆炸物指纹谱数据，建立了可供参考的数据库；讨论了棉布、塑料、皮革、涤纶和硬纸板等常见材料覆盖下隐蔽爆炸物的检测状况；介绍了远距离探测爆炸物的最新研究进展。
最后，分析了实战场景中应用ＴＨｚ光谱技术检测爆炸物需要面临的混合爆炸物、复杂环境条件和远距离探测等主要问题，并对未来的发展趋势作了展望。
关键词 光谱学；太赫兹；爆炸物；爆炸物检测；指纹谱中图分类号 ＴＮ２４７ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ４９．０４０００６Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｂｙ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓＬｕ Ｓｈｕｈｕａ１，２１ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｐｅｏｐｌｅ′ｓ Ｐｕｂｌｉｃ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２４１６，Ｃｈｉｎａ２ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｐｕｂｌｉｃ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｐｅｏｐｌｅ′ｓ Ｐｕｂｌｉｃ ＳｅｃｕｒｉｔｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０２４１６，烄烆烌烎ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｒｅｇａｒｄｅｄ ａｓ ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ．Ｔｈｅ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ ｄａｔａ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｄａｔａｂａｓｅｓ．Ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｈｉｄｄｅｎ ｕｎｄｅｒ ｓｏｍｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｃｏｔｔｏｎ，ｐｌａｓｔｉｃ，ｌｅａｔｈｅｒ，ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ，ｃａｒｄｂｏａｒｄ ｅｔｃ．ｉｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｌａｔｅｓｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｄｖａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ｍａｊｏｒ ｉｓｓｕｅｓ ｆａｃｅｄ ｗｉｔｈ ｍｉｘｅｄ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ，ｃｏｍｐｌｅｘ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｒｅｍｏｔｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｎ ＴＨｚ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｓｃｅｎｅ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ ａｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ ｏｕｔｌｏｏｋ ａｒｅ ｐｏｉｎｔｅｄ ｏｕｔ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ；ｔｅｒａｈｅｒｔｚ；ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ；ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｐｌｏｓｉｖｅ；ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ ｓｐｅｃｔｒｕｍＯＣＩＳ ｃｏｄｅｓ ３００．１０３０；３００．６４９５；３００．６１７０ 收稿日期：２０１１－０９－２１；收到修改稿日期：２０１１－１０－３０；网络出版日期：２０１２－０１－１９基金项目：中央高校基本科研业务经费（２０１１ＬＧ０２）和中国人民公安大学校级科研项目资助课题。
太赫兹技术在爆炸物检测中的应用
第34卷增刊2008年12月 光学技术OPTICAL TECHN IQU EVol.34Suppl.Dec. 2008 文章编号:100221582(2008)S2*******太赫兹技术在爆炸物检测中的应用Ξ许欣,吴勋,孟宪君,余志刚(第二炮兵装备研究院第三研究所,北京 100085)摘 要:研究了太赫兹成像技术在爆炸物探测中的应用,分析了太赫兹透射型时域光谱系统的实验装置,介绍了太赫兹时域光谱的测量步骤。
确定了四种爆炸物样品(TN T,RDX,DN T,HMX)在太赫兹波段的吸收谱。
结果表明,这四种爆炸物样品在0～2.5THz的频率范围内均存在特征吸收峰,这为太赫兹技术检测爆炸物提供了一种有效的途径。
关键词:太赫兹时域光谱;太赫兹检测;爆炸物中图分类号:O433 文献标识码:AApplication of terahertz technology in explosive detectionX U X in,WU Xun,ME NG X ian2J un,Y U Zhi2Gang(The Third Research Institute of The Second Artillery Equipment Academy,Beijing100085,China) Abstract:The application of terahertz technology in explosive detection is researched,and the equipment of THz time2do2 main spectroscopy system experiment is analyzed.The THz2TDS of TN T,RDX,DN T and HMX is determined.The results show that the four kinds of explosives have characteristic fingerprint spectrum in THz band,and it gives an effective access of explosive detection.K ey w ords:THz time2domain spectroscopy;THz detection;explosives1 引 言THz波的研究可以追溯到上世纪初,而“Terahertz”这一术语则首次由Fleming于1974年提出[1]。
太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测
点， 从可行性 、准确性 和实用性三方面对太赫兹时域光谱技术应用 于炸 药老 化检 测进 行了论证 ， 而提 出 Ｊ 从 ，
应 用 太赫 兹 时域 光谱 技 术进 行 炸 药 老 化 检 测 的 新 方 法 。
关键 词
太赫兹 ；时域光谱 ；炸药老化
文 献 标 识 码 ：Ａ Ｄ Ｉ ０ ３ ６／．ｓｎ １０ —５ ３２ １ ）５１ ０—４ Ｏ ：１． ９４ ｊｉ ． ０００ ９ （０ １ ０—３ ５０ ｓ
Ｈｚ波段 的电磁辐射的统称 。它在 电磁波谱 中位于微波 和红 ） 外辐射之问。太赫兹时域光谱 （ ＨｚＴ Ｓ 技术是太赫兹波谱 Ｔ －Ｄ ） 技术 的典型代表 ，它利用 飞秒激光 产生宽 带的太赫 兹脉 冲， 使 其经过样 品透射或反射 ， 测量太 赫兹波随时 间的变化 ， 对 此时域波形进行傅里叶变换 ， 与没有样品时 的太赫兹波进行 比较 ， 得到样品的折射率 、吸收系数 、介电常数等物理信息。 下 面对 太 赫 毖 时 域 光 谱 系 统 性 能 进 行 简 要 的理 论 分 析 ， 以证明太赫兹时域光谱技术具有足够的频谱分辨率和频率测
第３卷， ５ １ 第 期
２０１ １年 ５月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔ ａ ａ ｙ ｉ
Ｖｏ． １ Ｎｏ ５ ｐ ｌ ０ — ３ ８ ｉ３ ， ． ， ｐ ３ ５ １ ０ Ｍａ ｙ， ２ ｌ ０１
［２ ４ ］ ￣ １
，
可求 得 频 谱 分 辨 率 优 于 ０ ３Ｔ 。２０ ． Ｈｚ ０ ５年 ， 日本 大
阪大学开展 ｒ超高光谱分辨太赫兹时域光 谱技 术的研究 ， 得
爆炸性物质太赫兹时间分辨光谱测量
爆炸性物质太赫兹时间分辨光谱测量张亮亮;张存林;赵跃进;刘小华【期刊名称】《光谱学与光谱分析》【年(卷),期】2007(27)8【摘要】利用自由空间电光取样方法,研究了四种炸药在太赫兹(THz)频段的光学特性.通过太赫兹时间分辨光谱测量,作者得到了四种炸药DNT(2,4-二硝基甲苯)、钝化的RDX(黑索今)、HMX(奥克托金)和TNT(2,4,6-三硝基甲苯)的透射光谱,进而计算得出它们在0.2～2.5 THz频段的吸收系数和折射率.作者发现,2,4-DNT在1.08 THz,HMX在1.82 THz存在显著的吸收尖峰,RDX在此频段存在多个吸收峰,TNT的吸收谱线相对其他三种样品比较平缓,这种共振吸收一般认为是由分子间相互作用或声子共振模式引起的.四种炸药对太赫兹波独特的吸收性质说明,太赫兹时间分辨光谱测量技术在炸药特征识别及安全检测领域具有潜在应用价值.作者对致癌物质偶氮苯进行了太赫兹光谱研究,发现了国产偶氮苯和进口偶氮苯在太赫兹波段均存在特征吸收峰,可用于物质鉴别.【总页数】4页(P1457-1460)【作者】张亮亮;张存林;赵跃进;刘小华【作者单位】北京理工大学光电工程系,北京,100081;首都师范大学物理系,北京,100037;首都师范大学物理系,北京,100037;北京理工大学光电工程系,北京,100081;北京理工大学光电工程系,北京,100081【正文语种】中文【中图分类】O434.1【相关文献】1.爆炸性物质的太赫兹(THz)光谱分析 [J], 石小溪;赵国忠2.神经细胞中五种常见物质的太赫兹波谱的推定 [J], 罗洁;寇天一;施辰君;吴旭3.强场太赫兹光源及其物质调控研究(特邀) [J], 田野;郭丝霖;曾雨珊;宋立伟;冷雨欣;李儒新4.天津大学微波太赫兹波微电子系统实验室启用仪式暨太赫兹测量与应用论坛成功举行 [J],5.天津大学微波太赫兹波微电子系统实验室启用仪式暨太赫兹测量与应用论坛成功举行 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
爆炸性物质太赫兹时间分辨光谱测量
第27卷，第8期光谱学与光谱分析v ol -27，N n 8，pp l 457—14602 O O 7年8月Spectroscopy a n d spect 瞄AnaIysfsAugust ，2007爆炸性物质太赫兹时间分辨光谱测量张亮亮。
2，张存林2，赵跃进1，刘小华11．北京理工大学光电工程系．北京1000812．首都师范大学物理系，北京100037摘要利用自由空间电光取样方法，研究了四种炸药在太赫兹(THz)频段的光学特性。
通过太赫兹时间 分辨光谱测量，作者得到了四种炸药DN T(2，4_二硝基甲苯)、钝化的RI)x(黑索今)、HM x(奥克托金)和 TNT(2，4，6一三硝基甲苯)的透射光谱，进而计算得出它们在o 2～2．5 THz 频段的吸收系数和折射率。
作者发现，2，4一DNT 在1．08 THz ，HMx 在1．82 THz存在显著的吸收尖峰，RDx 在此颤段存在多个吸收蟑， T NT 的吸收谱线相对其他三种样品比较平缓，这种共振吸收一般认为是由分子间相互作用或声子共振模式 引起的。
四种炸药对太赫兹波独特的吸收性质说明，太赫兹时同分辨光谱测量技术在炸药特征识别及安全检测领域具有潜在应用价值。
作者对致癌物质偶氮苯进行了太赫兹光谱研究，发现了国产偶氮苯和进口偶 氮苯在太赫兹渡段均存在特征吸收峰，可用于物质鉴别。
关毽词爆炸物；太赫兹；飞秒激光；电光取样；时间分辨光谱中图分类号：0434．1 文献标识码：A 文章编号：1000—0593(2007)08一1457一04高于TNT ，探测其蒸汽浓度可以发现隐藏的地雷或未爆炸引言 的军火f(4)HMx ，环四次甲基四硝胺[钝感的]，俗称奥克托金，分子式G H8 N8Q ，白色细腻粉末压片，是生产R DX由于爆炸性物质在安全检测和环境控制方面的重要地 的副产品，由于爆炸速率极高而与T NT 等混合作为形状填 位，其光谱和成像研究是目前的焦点o q 。
钝感RDX及HMX炸药的太赫兹光谱分析
ｓ ｅ ｓｗｅｌ ｓｔ ｅｓｉｈ ｏ ｐ ｎ ｎ ｈ ｎ ｅｏ ａ ｌｓ Ｉ ａｓ ｆｅｓｔ ｅｓｉｎ ｉｉ ｂ ｓｓｏ ｓａ ｌ ｈｎ ｈ ｉ— ｉ ｓａ ｌ ａ ｈ ｌ ｔｃｍ ｏ ｅ ｔｃ ａ ｇ ｆｓｍｐｅ ．ｔ ｌ ｏｆｒ ｈ ｃｅ ｔ ｃ ａ ｉ ｆｅｔｂ ｉ ｉｇ ｔ ｅｆ ｖ ｇ ｏ ｆ ｓ ｎ
姚 宝岱 王 高 ，
（． １ 中北 大学 信息与通信工程学院 ， １ Ｉ西 ｌ 太原 ００５ ；． ３ ０ １ ２ 中北大学 仪器 与动态测试教育部重点 实验室 ， 山西 太原 ００５ ） ３ ０ １
摘
要： 采用太赫兹时域光谱技术 （ｅ ｈｒ ｔ ｅｄ ｎｉ ｓｅｔ ｓ ｐ ， Ｈ —ｒ］ ） Ｔ ｒ ｅ￣ ｉ －￣ ａ ｃ ｏｃ ｙＴ ｚ 兀 ｓ对钝感 Ｒ ） （ ａ ｍ ｎｐ ｒ ｏ Ｔ 黑索 金） Ｈ （ Ｘ 和 ＭＸ 奥克托 金）
ＹＡＯ ｏ ｄ ｉ ， ＡＮＧ ｏ Ｂａ — ａ Ｗ Ｇａ ２
（ ． ｃｏｌ ｆＩｆｒ ｔ ｎ ＆ Ｃ ｍｍｕ ｉ ｔ ｎＥ ｇｎｅｉｇ， ｒｈＵｎｖｒ ｔ ｈｎ Ｔ ｉｕ ｎ０ ０ ５ ， ｉ １ Ｓｈｏ ｎｏｍａｉ ｏ ｏ ｏ ｎｃ ｉ ｎ ｉｅｒ ａｏ ｎ Ｎｏｔ ｉ ｓｙｏ ｅ ｉ ｆＣ ｉａ， ａｙ ａ ３ ０ １ Ｃ ｎ ｈ ａ ２ Ｋｅ ａｏａｏｙｏ ｎｔｕ ｎ ｉ ｃ ． ｙＬ ｂｒ ｔ ｒ ｆＩｓ ｍｅｔ ｅ ｅ＆ Ｄ ｎ ｍｉＭｅｓｒ ｎ Ｎｏｔ Ｕ ｉｅｓｙｏ ｈｎ ） ｒ ｃ Ｓｎ ｙａ ｃ ａｕｅ ｔ（ ｒ ｎｖｒｉ ｍｅ ｈ ｔ ｆＣ ｉａ ，
ｇ ｒ ｒ ｔｓ ｅ ｔ ｕ ｌ ｒ ｒ ｔ ｈ ｅ ａ ｅ ｔ ｉ — ｏ ａｎ ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ． ｅ ｐ ｉ ｐ ｃ ｒ ｍ ｉ ａ ｙ ｗｉｈ ｔ ｅ ｔ ｒ ｈ ｒｚ ｔ ｎ ｂ ｍｅ ｄ ｍ ｉ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ Ｋｅ ｒ ｓ ｔ ｒ ｈ ｒ ｚ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｔｃａ ｓ ｒ ｔ ｎ ｓ ｅ ｔ ｕ ； ｘ ｌ ｓ ｅ ｄ ｔ ｃ ｉｎ ｙ ｗｏ ｄ ：ｅ ａ ｅ ｔ ； ｈ ｒ ｃｅ ｉ ｉ ｂ ｐ ｉ ｐ ｃ ｒ ｍ ｅ ｐ ｏ ｉ ｅ ｅ ｔ ｓ ｏ ｏ ｖ ｏ
太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测
太赫兹时域光谱技术用于老化炸药检测
太赫兹时域光谱技术是一种非常前沿的检测技术，常用于物质的检测分析。
而在老化炸药的检测方面，太赫兹时域光谱技术也有较好的应用。
本文将从太赫兹时域光谱技术的原理、老化炸药的特点以及太赫兹时域光谱技术在老化炸药检测中的应用等方面展开阐述。
太赫兹时域光谱技术是一种介于红外和微波之间，频率在数千兆赫兹至数百太赫兹之间的电磁波，不同于其他光谱技术，太赫兹波穿透力很强，可以用于研究非晶态物质和低频晶格振动。
在老化炸药检测中，太赫兹时域光谱技术具有灵敏度高、非破坏性强、成本低、信号清晰等优点。
老化炸药是经过一定时间的储存后，由于受到环境、温度等因素的影响而导致物理和化学性质的变化，对于此类老化炸药，由于其性质的变化，传统的检测手段难以发现其中含有的问题。
这时，太赫兹时域光谱技术可以帮助我们直接研究老化炸药的物理与化学特性，从而全面掌握其状况。
具体应用太赫兹时域光谱技术来检测老化炸药的过程，首先需要利用太赫兹设备对被检测样品进行照射，通过探测器等检测装置获取照射样品反射或透射出的太赫兹波信号，再对信号进行分析处理，可以对样品中的成分进行深入研究，并得出相应的结论。
总的来说，太赫兹时域光谱技术的应用可以为老化炸药检测提供新的思路和检测手段，增强了我们对老化炸药特性的认识，
从而有利于更好地确保炸药的安全运输和储存。
但是太赫兹时域光谱技术仍然是一个较新的技术，其应用仍在进一步探索和完善的过程中，需要进一步加强基础研究，推进太赫兹技术的进一步发展和成熟。
一种时间分辨太赫兹光谱检测装置[实用新型专利]
![一种时间分辨太赫兹光谱检测装置[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/8e7620cb192e45361166f53e.png)
专利名称：一种时间分辨太赫兹光谱检测装置专利类型：实用新型专利
发明人：侯艳,王俊发,付久才,王宇超,高荣升申请号：CN201320830963.5
申请日：20131209
公开号：CN203606279U
公开日：
20140521
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种时间分辨太赫兹光谱检测装置，包括样品、第二分束器、飞秒激光器、第一分束器、透射探测装置、高压电源、第一时间延迟装置、太赫兹辐射源、斩波器和第二时间延迟装置，飞秒激光器发射出飞秒激光脉冲，飞秒激光脉冲经第一分束器被分为泵浦脉冲和探测脉冲，泵浦脉冲经第二分束器后分为两条泵浦脉冲，其中一条泵浦脉冲经过第一时间延迟装置到达样品，另一个支路的泵浦脉冲经过第二时间延迟装置经斩波器、太赫兹辐射源上产生太赫兹脉冲；探测脉冲和太赫兹脉冲一同共线入射到透射探测装置上，太赫兹脉冲激励样品，在高电压的作用下，透射探测装置检测到样品。
本实用新型用太赫兹光谱检测果蔬内部，可实现果蔬内部品质的无损检测。
申请人：佳木斯大学
地址：154007 黑龙江省佳木斯市向阳区德祥街409号佳木斯大学二学区A院检验医学院
国籍：CN
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基于小波变换的太赫兹图像识别
基于小波变换的太赫兹图像识别
韩煜;葛庆平;张存林;张亮亮
【期刊名称】《计算机工程与应用》
【年(卷),期】2008(044)002
【摘要】太赫兹(THz)波对很多物质都有成像功能,可以侦测物质的化学性质,进行物质的识别.其成像技术在反恐、医学成像、无损探伤等方面显示出了巨大的应用前景.采用小波变换和图像的灰度直方图匹配技术对葵花籽的太赫兹信号数据进行分析实验,提出了一种识别被测物质的方法,在此方面进行了探索尝试,结果表明此方法可以对葵花籽仁、葵花籽皮和其他区域的太赫兹信号数据进行准确地分类,实现利用计算机自动识别物质的功能,这将有利于进一步进行太赫兹技术在物质鉴别方面的应用研究.
【总页数】4页(P241-244)
【作者】韩煜;葛庆平;张存林;张亮亮
【作者单位】首都师范大学,北京,100037;首都师范大学,北京,100037;首都师范大学,北京,100037;北京理工大学,北京,100081
【正文语种】中文
【中图分类】TP391
【相关文献】
1.《太赫兹科学与电子信息学报》编委会、中国兵工学会太赫兹应用技术专委会工作会与“太赫兹中的微纳科学技术”专题研讨会成功召开 [J],
2.小波变换在太赫兹三维成像探测r内部缺陷中的应用 [J], 代冰;王朋;周宇;游承武;胡江胜;杨振刚;王可嘉;刘劲松
3.太赫兹片上系统和基于微纳结构的太赫兹超宽谱源的研究进展∗ [J], 左剑;张亮亮;巩辰;张存林
4.基于改进Faster R-CNN算法的太赫兹安检图像识别检测 [J], 王葛;朱艳;沈韬;刘英莉;曾凯
5.中科院空天院大湾区研究院:
持续开展太赫兹科学研究全力打造中国太赫兹科学中心 [J], 乔流;拓晓瑞
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太赫兹时域谱技术的爆炸物探测应用
太赫兹时域谱技术的爆炸物探测应用
刘晓东;张志杰;李仰军;王高
【期刊名称】《河北农机》
【年(卷),期】2015(000)011
【摘要】近年来，爆炸恐怖袭击事件的不断发生使得爆炸物探测成为安防工作的重要任务，同时也对爆炸物探测技术提出了更高的要求。
由于炸药在太赫兹频段具有特征谱性质，因此通过太赫兹时域谱技术来探测炸药成为一项极具潜力的探测方法。
本文分析了太赫兹时域光谱系统的实验装置，并对两种炸药（DNAN，DNMT）的特征吸收谱进行了测量，并且确定了它们的吸收峰位置。
【总页数】2页(P57-58)
【作者】刘晓东;张志杰;李仰军;王高
【作者单位】山西中北大学仪器与电子学院;山西中北大学仪器与电子学院;山西中北大学仪器与电子学院;山西中北大学仪器与电子学院
【正文语种】中文
【相关文献】
1.太赫兹时域谱技术在地雷探测中的应用 [J], 刘晓东;张志杰;李仰军
2.爆炸物太赫兹谱的研究 [J], 冯瑞姝;孟田华
3.太赫兹时域谱技术快速定性检测奶粉中的三聚氰胺 [J], 李建蕊;李九生;赵晓丽
4.英国太赫兹传感器显示出探测隐藏在衣服和鞋内爆炸物的潜力 [J], 高国龙
5.太赫兹时域光谱技术探测亮氨酸和异亮氨酸的低频集体吸收谱 [J], 黄丽娟;张欣;王果;张卓勇
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第27卷,第8期 光谱学与光谱分析Vol 27,No 8,pp1457-14602007年8月 Spectro sco py and Spectr al AnalysisA ugust,2007爆炸性物质太赫兹时间分辨光谱测量张亮亮1,2,张存林2,赵跃进1,刘小华11 北京理工大学光电工程系,北京 1000812 首都师范大学物理系,北京 100037摘 要 利用自由空间电光取样方法,研究了四种炸药在太赫兹(T Hz)频段的光学特性。
通过太赫兹时间分辨光谱测量,作者得到了四种炸药DN T (2,4-二硝基甲苯)、钝化的RDX (黑索今)、H M X(奥克托金)和T N T (2,4,6-三硝基甲苯)的透射光谱,进而计算得出它们在0 2~2 5T Hz 频段的吸收系数和折射率。
作者发现,2,4-DNT 在1 08T Hz,HM X 在1 82T H z 存在显著的吸收尖峰,RDX 在此频段存在多个吸收峰,T N T 的吸收谱线相对其他三种样品比较平缓,这种共振吸收一般认为是由分子间相互作用或声子共振模式引起的。
四种炸药对太赫兹波独特的吸收性质说明,太赫兹时间分辨光谱测量技术在炸药特征识别及安全检测领域具有潜在应用价值。
作者对致癌物质偶氮苯进行了太赫兹光谱研究,发现了国产偶氮苯和进口偶氮苯在太赫兹波段均存在特征吸收峰,可用于物质鉴别。
关键词 爆炸物;太赫兹;飞秒激光;电光取样;时间分辨光谱中图分类号:O 434 1 文献标识码:A 文章编号:1000-0593(2007)08-1457-04收稿日期:2006-03-06,修订日期:2006-06-08基金项目:国家自然科学基金重大项目(10390160)资助作者简介:张亮亮,女,1979年生,北京理工大学光电工程系博士 e -mail:z hlliang@126 com引 言由于爆炸性物质在安全检测和环境控制方面的重要地位,其光谱和成像研究是目前的焦点[1-4]。
特别是在美国发生 9 11 事件后,此领域的研究工作进展非常迅速。
多种爆炸物分子的转动和振动谱位于T Hz 频段(100GH z ~10T H z)[5],因此近年来开始利用T H z 时域光谱测量技术对爆炸物进行探测和鉴别。
T Hz 时间分辨光谱仪是同步相干探测,对热背景噪声不敏感,具有很高的信噪比[6-12],可以对炸药进行无损、非电离和高灵敏度的光谱测量。
目前,在低于600cm -1的频率范围内还没有关于爆炸物的光谱数据,仅有实验表明一些炸药样品在0 1~2T Hz 之间存在连续吸收[5]。
爆炸物特征谱的测量是T H z 光谱学研究的重要组成部分[13,14],也是环境监控危险物识别的前提条件。
我们对四种典型的具有整体爆炸危险的炸药进行了T Hz 时间分辨光谱测量,其中包括:(1)T NT ,2,4,6-三硝基甲苯,磷状结晶片,淡黄色,分子式C 7H 5N 3O 6,有毒,在地雷等爆炸后会残留在土壤中;(2)RDX,环三次甲基三硝胺[钝感的],俗称黑索今或旋风炸药,分子式C 3H 6N 6O 6,粉红色粉末压片,通常用来与其他爆炸材料和可塑剂混合制成塑胶炸药;(3)DNT ,2,4-二硝基甲苯,是军用炸药的主要成分,蒸汽压力高于T N T ,探测其蒸汽浓度可以发现隐藏的地雷或未爆炸的军火;(4)H M X,环四次甲基四硝胺[钝感的],俗称奥克托金,分子式C 4H 8N 8O 8,白色细腻粉末压片,是生产R DX的副产品,由于爆炸速率极高而与T NT 等混合作为形状填料。
文献中至今还没有这四种材料在1T H z 以下共振吸收特性的实验数据,美国伦斯勒理工大学T H z 研究中心目前正在利用高斯软件对爆炸性物质振动和转动谱线进行理论模拟计算,并得到关于2,4-DN T 共振吸收峰位的初步结果。
我们的实验数据与其计算结果有一定的一致性,例如,根据DN T 分子结构,由分子间相互作用模式及声子带隙模拟分析计算得到在0 29,0 46,0 66,1 08T Hz 存在吸收峰,而从我们对DNT 实验数据进行计算得到的吸收系数曲线中可以看到,在0 29,0 49,0 67,1 06T Hz 处有尖峰出现。
每一种样品均进行了6次以上光谱测量,数据具有高度重复性。
以上事实可以表明我们的实验系统稳定,实验结果真实可靠。
1 实验系统本工作中,我们利用自由空间电光取样进行T H z 时间分辨光谱测量。
我们使用的装置是发射源为InA s 的反射式产生T Hz 辐射和ZnT e 作为探测晶体的实验系统,如图1所示。
锁模钛蓝宝石飞秒激光器产生的光脉冲中心波长800nm,重复频率80M H z,脉宽100fs 。
激光脉冲作为泵浦和探测光源,经分束镜CBS 后分成两束,泵浦脉冲能量约600mW,经过频率为6 8kH z 的斩波器斩波和光学延迟线后照射在InAs 晶片表面,激光斑点直径约3mm 。
飞秒激光脉冲激发InAs 晶体表面耗尽层载流子的跃迁,产生的T H z 脉冲被离轴抛物面镜PM 4聚焦到1mm 厚(110)晶向的ZnT e 晶体上。
300mW 的激光脉冲由分束镜分出作为探测光与T H z 波聚焦在晶体上相同的位置。
T Hz 辐射电场使通过电光探测晶体的探测脉冲的偏振态发生改变,从而反映出T Hz 电场的大小及变化。
偏振方向发生改变的探测脉冲通过晶体后,先经过四分之一波片Q WP ,调节起始测量的平衡点,然后被渥拉斯顿棱镜P BS 分为两偏振方向垂直的分量,差分探测器可测量到两偏振分量的强度差。
测量信号经锁相放大器放大后输入计算机得到时域光谱。
实验中,为了减少空气中水分对T Hz 的吸收,在光路图中黑线框起的部分加密封罩,并向罩子中冲入氮气,使罩内湿度小于2%。
装置所处的实验室环境为温度21摄氏度,湿度40%,系统信噪比为5000。
Fig 1 Schematic diagram of THz -TDS spectrometer2 理论分析与结果讨论分别将测量得到的参考和透过样品的T Hz 时域谱进行快速傅里叶变换获得相应频域谱,透射数据T ( , )=E sample ( , )/E ref ( , )。
样品的复折射率 n =n+i ,其中实部n 为样品的实际折射率,虚部 为消光系数。
考虑到弱吸收近似,即 n ,则n =1+ ( ) c/ d =ln {4n( )/[ ( )(n( )+1)2]} c/ d其中 ( )为样品与参考信号的位相差, ( )为样品与参考信号的振幅比,c 为光速, 为角频率,d 为样品的厚度[15]。
图2显示了电光取样技术得到的没有通过样品和透过0 90mm 厚的2,4,6-T NT 粉末压片,0 86mm 厚的钝化RDX 粉末压片,0 60mm 厚的2,4-DN T 粉末压片和0 60mm 厚的 -H M X 粉末压片的T Hz 时域光谱。
为了图示清晰,只给出了存在参考和各样品信号主峰的延迟时间为0~12ps 之间的波形,10ps 之后均为强度在0附近的振荡。
有很多效应可能会引起这种T H z 脉冲的形变和尾部振荡,其中之一是电光取样过程的相位匹配造成的频率过滤。
另一效应是在电光晶体中对T Hz 脉冲的色散和吸收。
除此之外,周围环境中残留水蒸气的吸收也会导致T Hz 脉冲的振荡。
这些引起振荡的效应都是由于探测T H z 脉冲的晶体材料中存在较强的T O 声子共振。
T Hz 脉冲和T O 声子共振发生强烈耦合,其频率成分由声子激化极元产生。
因此,频率接近于T O 声子共振频率的T H z脉冲会作为分散的声子激化极元Fig 2 Electro -optic sampling trace of the THz pulsepassing through diff erent explosives1458光谱学与光谱分析 第27卷传播。
由于样品中不同的波速引起T H z 脉冲相对于空载时的时间延迟不同,样品对T H z 波的反射和吸收使脉冲强度下降,并且样品的色散造成脉冲的展宽。
经过快速傅里叶变换(FF T ),我们可以得到T H z 信号的频域信息。
图3是对应于图2的T H z 波形频谱图。
由图可以看出,在0 2~2 5T H z 的光谱有效区域内四种物质的样品信号相对于自由空间的参考信号具有显著不同。
由前面的理论分析我们知道,通过测量样品对T H z 脉冲的相位延迟和吸收可以计算出材料的复折射率。
根据图2中透过不同爆炸物材料的T Hz 脉冲波形,我们分别得到了所测量的四种样品的吸收系数( =2 /c )和折射率,如图4所示。
由图可见,在0 2~2 5THz 的频谱范围内,四种爆炸性物质具有明显的特征吸收峰。
2,4-DNT 在1 08THz,HMX 在1 82THz 存在显著的吸收尖峰,RDX 在此频段存在多个吸收峰,TNT 的吸收谱线相对其他三种样品比较平缓。
由于属于低频波段,这种共振吸收一般认为是由分子间相互作用或声子共振模式引起的。
四种爆炸物的特征吸收谱线均可以作为指纹谱用于物质的鉴别。
它们的折射率都在1 5到1 8之间,与吸收谱线相对应,DNT 和HMX 的折射率分别在1 08和1 82THz 存在突变。
表1列出了四种物质的共振吸收峰位。
Table 1 Absorption peaks of different explosiv es爆炸物名称共振吸收峰/TH z 文献记载峰位/cm -1T NT 0 69,1 82,2 2352,460,501,639RDX 0 82,1 06,1 45,1 972,4-DNT 0 66,1 08,1 38H M X1 80296,353,480,528,636 致癌物质偶氮苯是一类具有鲜艳颜色的化合物,我们分别对国产和进口的偶氮苯进行了太赫兹光谱测量,吸收谱线如图5所示,其中虚线表示进口偶氮苯,实线表示国产偶氮苯。
Fig 5 Terahertz absorbance spectra of azobenzene3 结 论综上所述,我们对四种爆炸性物质的电光取样时间分辨光谱进行了比较,并由此得到了这些材料在0 2~2 5T Hz 波段的吸收谱和色散关系。
结果表明,经过钝化的RDX 在此频段的吸收谱存在较强烈的震荡,具有四个特征吸收峰位;T N T 对此频率范围的太赫兹波的吸收相对平缓,吸收峰不十分显著;2,4-DN T 和HM X 存在非常明显的吸收尖峰,可以用于特征识别。
四种物质对太赫兹波独特的吸收性质说明太赫兹时间分辨光谱测量技术在爆炸物特征识别及安全检测领域具有潜在应用价值。
1459第8期 光谱学与光谱分析1460光谱学与光谱分析 第27卷参考文献[1] Rouchi A M.C hem.Eng.News,1997,75:14.[2] S teinfeld J I.J.W ormfhoudt Ann u.Rev.Phys.Chem.,1998,49:203.[3] Fainberg A.Science,1992,255:1531.[4] Kolla Angew P.Ch em.Int.Ed.Engl.,1997,36:800.[5] J ames B,et al.Pr oc.of S PIE,2003,5089:1088.[6] Gris chkow sk y D,Keiding S,van Exter M,et al.J.Opt.Soc.Am.,1990,B7:2006.[7] Nu ss M C,Oren stein J.In:Edited by G.Gruner.M illimeter and Subm illim eter Wave Spectroscopy of S olids.Berlin:Springer,1998.[8] J acob sen R H,M ittleman D M,Nuss M C.Opt.Lett.,1996,21:2011.[9] Venables D S,S chmu ttenmaer C A.J.Chem.Ph ys.,1998,108:4935.[10] M ittleman D M,J acob sen R H,Neelam ani R,et al.Appl.Ph ys.B,1998,67:379.[11] Zhao Guozh on g,M aarten ter M ors,T om W enckeb ech,et al.J.Opt.Soc.Am.,B,2002,19(6):1476.[12] H U Ying,WANG Xiao-h on g,GUO Lan-tao,et al(胡 颖,王晓红,郭澜涛,等).S pectr os copy and S pectral Analysis(光谱学和光谱分析),2006,26(6):1008.[13] S ylvia J M,Janni J D,Klein K M.Anal.Chem.,2000,72:5834.[14] Kn eipp K,W an g Y,Dasari R R,et al.Spectrochim ica Acta,Part A,1995,51:2171.[15] H U Ying,ZH ANG Cun-lin,S HEN Jin g-lin g,et al(胡 颖,张存林,沈京玲,等).Acta Phys.Sin.(物理学报),2004,53:1772.Time-Resolved Terahertz Spectroscopy of ExplosivesZHA N G L iang-liang1,2,ZH A N G Cun-lin2,ZH AO Y ue-jin1,LI U Xiao-hua11.Depar tment o f Optical Eng ineering,Beijing Institute o f T echno log y,Beijing 100081,China2.Depar tment o f Physics,Capital N or mal U niver sity,Beijing 100037,ChinaAbstract T he author s present a t ime-resolved measur ement in t er ahertz(T H z)fr equency reg io n by means o f the fr ee-space elec-t ro-o pt ic sampling(F SEOS).T he transmission spectr a and complex r ef ractive index of fo ur kinds of ex plosiv es wer e obtained. T he autho rs found that DN T,RDX,H M X and T N T all have abso rption peaks wit hin the f requency r ang e of0 2and2 5T H z. It can be seen that DN T and H M X have o bv ious abso rptio n peaks at1 08and1 82T Hz respect ively.T he autho rs can use the terahertz spectr a as the fing erprint o f the detected materials.T herefor e,time-resolved teraher tz spectro sco py can be applied t o detect and identify ex plo sives.T he author s also detected a kind o f car cino gen named azobenzene.T he autho rs found that azoben-zene boug ht bot h in China or fro m Amer ican all hav e t he absor ption peaks in the f requency range between0 2and2 5T H z.Keywords T H z;F emto seco nd L aser;Electr o-o ptic sampling;T ime-reso lved spectro sco py(Receiv ed M ar.6,2006;accepted Jun.8,2006)。