太赫兹时域光谱系统在实验教学中的应用

张 瑾， 万云霞， 刘延涛， 常天英， 崔洪亮

(1. 吉林大学 仪器科学与电气工程学院， 吉林 长春 130061；2. 东北师范大学 教务处， 吉林 长春130024)

太赫兹时域光谱系统在实验教学中的应用

张 瑾1， 万云霞1， 刘延涛2， 常天英1， 崔洪亮1

(1. 吉林大学 仪器科学与电气工程学院， 吉林 长春 130061；2. 东北师范大学 教务处， 吉林 长春130024)

将太赫兹时域光谱系统应用于本科实验教学，使学生熟悉太赫兹时域光谱系统的使用，提高学生的动手实践能力，激发学生的科研兴趣。通过前沿科研仪器设备与本科实验教学的结合，推动研究型和创新型人才的培养。

太赫兹时域光谱系统； 实验教学； 聚四氟乙烯

太赫兹波是指频率范围在0.1～10 THz之间的电磁波，在电磁波谱中处于微波和红外辐射之间[1-2]。太赫兹时域光谱技术是太赫兹技术的典型代表，近几年发展迅速，已经被越来越广泛地应用于物质的光谱和成像检测。太赫兹时域光谱系统产生的太赫兹脉冲所含信息丰富，可以提取物质的光学参数(如折射率和吸收系数等)。此外，太赫兹时域光谱系统可进行成像，由于它产生的太赫兹脉冲同时含有振幅和相位信息，因此可针对特定物质的检测选择不同的信息进行成像[3]。

目前国内很多高校已成功研制或从国外购置太赫兹时域光谱系统，但主要应用于科研实验，很少会提供给本科生使用，造成前沿科研仪器设备和本科实验教学的脱节，不利于研究型和创新型人才的培养[4-6]。本文将太赫兹时域光谱系统应用于本科实验教学，让学生在本科学习阶段就能接触到最前沿的科研仪器设备，扩展了本科生的视野，激发了本科生将来从事科学研究的兴趣。

1 太赫兹时域光谱系统的工作原理

太赫兹时域光谱系统主要由飞秒激光器、时间延迟控制系统、太赫兹辐射产生和探测装置等组成[7-8]。太赫兹波系统的工作模式分为反射和透射2种，反射模式测量的是从被测样本反射的太赫兹波，透射模式测量的是从被测样本透射的太赫兹波。2种模式的工作原理大体相同，飞秒激光脉冲被分束器分为2束，一束较强的是泵浦光，经过时间延迟控制系统后入射到太赫兹波发射器上产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲被离轴抛物面镜准直聚焦后，通过被测样本；另一束较弱的是探测光，用于探测太赫兹脉冲的瞬时电场振幅。通过调节探测脉冲和太赫兹脉冲的相对时间延迟可获得太赫兹时域波形。对时域波形进行傅里叶变换后即可获取太赫兹频域波形。此外，通过二维扫描台的移动，可获得样本每一空间点的太赫兹时域和频域波形。通过选取时域或频域波形中的不同物理量，可获得不同的太赫兹二维图像[9-10]。

2 仪器培训

学生进入太赫兹实验室学习使用太赫兹时域光谱系统的操作。首先教师逐一介绍系统的各个组成部分，包括系统主机、太赫兹发射器和接收器、二维扫描台和计算机等；然后介绍、演示系统的开机顺序，包括打开系统主机、登录系统软件和设置系统参数等；最后介绍系统各工作模式的切换，包括透射光谱模式、透射成像模式和反射成像模式，以及在各工作模式下样本的放置位置和测试过程中的注意事项。图1分别是系统的3种工作模式。

图1 系统3种工作模式

3 实验设计

3.1 聚四氟乙烯的太赫兹光谱特性检测

实验目的：让学生学会采用太赫兹时域光谱系统测试样品的太赫兹光谱特性，包括折射率和吸收系数的计算等。

实验模式：透射光谱模式。

实验样本：由于聚四氟乙烯在太赫兹实验中常被作为一种标准测试材料，因此本实验选用聚四氟乙烯材料，采购了厚度分别为0.1、0.2、0.5、1、2 mm的聚四氟乙烯材料。

实验过程：教师指导学生将系统调整到透射光谱测量模式，测试不同厚度的聚四氟乙烯的太赫兹光谱特性。为了去除空气湿度的影响，将太赫兹发射器、接收器和被测样本置于充满氮气的密封罩中，密封罩内的温度控制在22 ℃，空气湿度控制在2%。首先获取在无样本状态下太赫兹波直接通过氮气时的时域波形作为参考，然后再将聚四氟乙烯放置于样本架上，获取太赫兹波通过聚四氟乙烯时的时域波形。分别将获取的氮气和聚四氟乙烯样本的时域波形进行傅里叶变换，得到频域波形，并按下式计算聚四氟乙烯的折射率和吸收系数[11-12]：

(1)

(2)

其中，ω为角频率，c为光速，φ(ω)为样品信号与参考信号的相位差，ρ(ω)为样品信号与参考信号的振幅比，d为样品厚度,n(ω)为样品折射率，a(ω)为样品吸收系数。

3.2分辨率测试样本的太赫兹透射成像检测

实验目的：让学生学会采用太赫兹时域光谱系统进行透射成像实验，并初步了解太赫兹成像的分辨率与频率的关系。

实验模式：透射成像模式。

实验样本(见图2)：通过印制电路板法在玻璃纤维板上进行覆铜和蚀刻，形成不同宽度和间距的条纹。

实验过程：教师指导学生将系统切换到透射成像工作模式，进行分辨率测试样本的成像检测。设置二维扫描台的扫描范围和步径，对分辨率测试样本进行逐点扫描，获得样本每一空间点的时域波形。对时域波形进行傅里叶变换，得到频域波形，可选择利用频域波形中不同频率的振幅进行成像。最后对太赫兹成像的分辨率与频率的关系进行分析。

3.3信封内隐藏物体的太赫兹反射成像检测

实验目的：让学生学会采用太赫兹时域光谱系统进行反射成像实验，并分析不同参数的成像效果。

实验模式：反射成像模式。

图2 实验样本

实验样本：在信封内放置剪刀、壁纸刀和5角硬币，检测信封内的隐藏物体。

实验过程：教师指导学生将系统切换到反射成像

工作模式，进行信封内隐藏物体的成像检测。可选择利用时域波形中的最小峰值、最大峰值或者峰峰值进行成像；也可选取频域波形中特定频率的振幅、功率谱密度、能量和相位等信息进行成像。最后对各参数成像的成像效果进行比较和分析。

4 实验结果

图3是不同厚度的聚四氟乙烯的折射率和吸收系数谱，从图3中可以看出，不同厚度的聚四氟乙烯的折射率和吸收系数略有差异，但总体来看差异不大，其中在0.1～1 THz频率区间折射率为1.4左右，吸收系数在0左右徘徊。由此可以看出，聚四氟乙烯对太赫兹波的吸收很小，对太赫兹波基本透明。

图4是分辨率测试样本的太赫兹透射成像结果，分别选取了0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8 THz的振幅进行成像。从图4中可以看出，随着频率的增大，太赫兹透射成像的分辨率逐渐提高。

图3 不同厚度的聚四氟乙烯的折射率谱和吸收系数谱

图4 分辨率测试样本的太赫兹透射成像

图5是信封内隐藏物体的太赫兹反射成像结果，分别选取了时域最小峰值、时域峰峰值、0.56 THz的振幅以及0.56 THz的功率谱密度4个参数进行成像。从图5中可以看出，时域峰峰值的太赫兹成像检测效果要优于其他3个参数，可以较为清晰地分辨出信封内隐藏的剪刀、壁纸刀和5角硬币。

教师指导学生对实验结果进行分析，实验结果分析完后，教师对每位学生的实验结果进行考核，并让学生对实验过程中遇到的问题进行汇报，教师帮助学生分析和解决问题。

图5 信封内隐藏物体的太赫兹反射成像

5 结语

科研仪器设备是学校宝贵的实验资源，将太赫兹时域光谱系统应用于本科实验教学，提高了科研仪器设备的使用率，让科研仪器设备能同时服务于科研和教学，实现科研和教学的有机结合，有利于培养本科生的科研思路和创新意识，提高了实验教学的前沿性。

References)

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[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.

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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

国家自然科学基金项目(11404130);重庆市科委基础研究计划重大项目(cstc2013jcyjC00001)资助

张瑾(1987—)，女，江西新余，博士，工程师，主要研究方向为复合材料的太赫兹无损检测

E-mailzhangjin0109@jlu.edu.cn

崔洪亮(1956—)，男，吉林长春，博士，国家“千人计划”特聘教授，主要研究方向为太赫兹科学、纳米材料与器件和光纤传感技术及应用.

E-mailhcui@jlu.edu.cn