太赫兹时域光谱_气体和自由基检测新方法

太赫兹时域光谱——气体和自由基检测新方法

葛敏赵红卫张兆霞朱红平王文锋

（中国科学院上海应用物理研究所，上海 201800）

关键词：太赫兹，时域光谱，自由基

太赫兹（THz）辐射是指频率在0.1~10THz（波长在30ìm ~3mm）之间的电磁波，其波段位于微波和红外光之间。在相当长的时间里，由于缺乏有效的产生和检测方法，使人们对该波段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辐射技术和应用研究得到蓬勃发展。20世纪90年代发展起来的THz-TDS是基于飞秒超快激光技术的THz波段光谱测量新技术[1,2,3]。它利用物质对THz频带的不同特征吸收谱分析研究物质成分、结构及其相互作用关系。　

THz-TDS装置是将来自超快激光器的具有皮秒脉宽的激光脉冲分为两路，一路作为泵浦光，激发太赫兹发射元件产生太赫兹波。另一路作为探测光与太赫兹脉冲汇合后共线通过太赫兹探测元件。通过延迟装置改变探测光与泵浦光之间的光程差，使探测光在不同的时刻对太赫兹脉冲的电场强度进行取样测量，最后获得太赫兹脉冲电场强度的时间波形。通过对测量频谱的分析和处理，可以同时得到被测样品的吸收和色散光谱[4]，另外还可以获得物质的折射率、介电常数、吸收系数和载流子浓度等参数。THz脉冲峰值功率很高，脉宽在皮秒量级，能方便地进行时间分辨研究，并通过取样测量技术有效地抑制背景辐射的干扰，辐射强度测量的信噪比大于1010。

通常气体分子的全部或部分转动光谱都位于远红外区，连续的THz波谱在气体光谱学研究中具有独到之处，能直接测定分子的转动光谱，宽带的THz-TDS脉冲检测可同时测定混合气体中不同成份的吸收、测定化学组成和浓度。Harde[5]和 Mittleman[6]等通过对CH3Cl、H2O 等气体分子THz光谱特性分析，对它们的瞬态振动结构和热力学特性进行了解析。Jacobsen 等[7]利用THz-TDS的数字信号处理技术对NH3和H2O混合气体进行了化学识别，取得了较好的结果。van der Weide等[8]则首次利用全电子THz波谱仪来测量气体吸收光谱并建立了汽车尾气污染物的检测限度，具有非常高的灵敏度。这些应用对汽车和工厂排放的多组份气体以及附带颗粒物（如柴油机排放的烟灰等）的检测具有十分重要的意义，也预示着该技术在大气污染物监控和环境保护等方面的广阔应用前景。另外，由于许多气体反应中间体如OH、CH、CO、CH2、NO、H和HCO等粒子在THz波段有较强的吸收特性，因此THz-TDS光谱技术还能够对自由基和反应活性分子进行有效的探测和分析[9,10]。1995年美国的R. A. Cheville 等[11]首次利用THz-TDS光谱技术研究了火焰的吸收光谱，测量的范围在0.2~2.65 THz，通过对静态及预混的丙烷-空气火焰的测定，获得了大量的吸收谱线，包括水、NH3和CH自由基等火焰组成较全面的信息。实验结果表明THz-TDS比其他技术具有更高的空间和温度分辨率。科隆太赫兹光谱[12]是1995年由德国科隆大学和俄罗斯诺夫哥罗德应用物理所共同合作开发的一种新的太赫兹检测光谱。G. Winnewisser及其同事们利用这一技术对一系列的自由

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基如：HSSH、SH、HSS、DSS、PH2、ND、NH、NH2等进行了检测[12,13,14,15,16,17]。结果表明该技术对于检测自由基的转动光谱非常有效。

虽然与其他的光学技术相比，THz光谱技术并不完善，但是它与众不同的频率范围给我们提供了一个新的机会，去对那些在一般光学范围内难以或无法测量吸收谱线的气体，自由基和反应活性分子进行有效的探测和分析[9]。

Terahertz Time-Domain Spectroscopy

——A new method for detection of gases and free radicals

Ge Min, Zhao Hongwei, Zhang zhaoxia, Zhu Hongping, Wang Wenfeng

Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences,

Shanghai 201800

Terahertz Time-Domain spectroscopy (THz-TDS) is a new technique based on femto-second laser technology. This paper briefly introduces its applications in detecting and identifying gases and free radicals.

Keywords: Terahertz(THz), THz-TDS, free radical

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