李建蕊 李九生

(中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院,杭州 310018)

植物油的太赫茲時(shí)域譜分析

李建蕊 李九生

(中國計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院,杭州 310018)

利用太赫茲(THz)時(shí)域譜技術(shù)測(cè)量了山茶油、麻油、橄欖油在 0.3～1.5 THz范圍內(nèi)的 THz波時(shí)域譜,使用迭代算法來計(jì)算分析三種植物油的折射率、吸收系數(shù)等重要的光學(xué)參數(shù)。結(jié)果表明三種植物油的吸收系數(shù)在此波段存在顯著差異,三種植物油的平均折射率分別為 1.458,1.468和 1.452,植物油的折射率隨著頻率的增加而逐漸減小。該研究成果對(duì)于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)應(yīng)用于不同的植物油成分及質(zhì)量評(píng)價(jià)具有重要意義。

植物油 太赫茲時(shí)域譜 吸收系數(shù) 折射率

太赫茲 (Terahertz,THz)波通常是指頻率在0.1～10 THz區(qū)間的電磁波,其光子的能量約為 1～10 meV,與分子振動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間躍遷的能量大致相當(dāng)。因此,物質(zhì)的 THz光譜包含豐富的物理性質(zhì)和化學(xué)信息,其吸收和色散特性可用來做爆炸物、藥物等化學(xué)及生物樣品的探測(cè)和識(shí)別[1-2]。近年來利用太赫茲時(shí)域譜 (THz-TDS)研究材料的特性有顯著進(jìn)展,如Quema[3]利用 THz-TDS研究了環(huán)境污染,Nashim等[4]研究了半導(dǎo)體材料,Jin等[5]研究了聚合物,Shen等[6]研究了爆炸物的太赫茲特性。Ja2 cobsen等[7]分析了氣體材料太赫茲光譜等。相對(duì)于遠(yuǎn)紅外傅里葉變換光譜,太赫茲時(shí)域光譜在研究材料特性方面存在顯著優(yōu)勢(shì)。THz-TDS采用相干脈沖源,通常周期為 1～2 ps,直接得到電場(chǎng)的幅度和相位,通過傅里葉變換得到 THz頻譜圖,樣品的吸收系數(shù)和折射率由電場(chǎng)的幅度和相位決定,利用 THz時(shí)域譜可同時(shí)得到樣品折射率、吸收系數(shù)等光學(xué)參數(shù),無需通過 Kramers-Kr?nig公式計(jì)算,減小了計(jì)算誤差,為定量分析提供更多有用信息。

植物油質(zhì)量好壞直接關(guān)系著人類健康[8-10]。利用 THz時(shí)域譜技術(shù)對(duì)山茶油、麻油、橄欖油在 0.3～1.5 THz波段進(jìn)行測(cè)試,利用迭代算法計(jì)算得到三種植物油的吸收系數(shù)和折射率,并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了分析研究,為植物油質(zhì)量評(píng)價(jià)提供參考。

1 理論分析

試驗(yàn)采用光路如圖 1所示,鈦藍(lán)寶石飛秒鎖模脈沖激光器產(chǎn)生中心波長為 800 nm、重復(fù)頻率為 80 MHz、脈沖寬度為 100 fs的激光光源,輸出功率 960 mW。進(jìn)入 THz系統(tǒng)后,光束經(jīng)分束鏡分為較強(qiáng)的泵浦光和較弱的探測(cè)光。泵浦光被斬波器調(diào)制,經(jīng)透鏡聚焦后射向光電導(dǎo)天線砷化鎵 (GaAs)晶體激發(fā)THz脈沖。THz脈沖經(jīng)過兩個(gè)離軸金屬拋面鏡準(zhǔn)直入射到樣品上,再經(jīng)過另兩個(gè)金屬拋面鏡聚焦到達(dá) 2 mm厚的碲化鋅 ZnTe晶體,與探測(cè)光匯合。這時(shí)THz電磁輻射脈沖的電場(chǎng)通過線性電光效應(yīng)調(diào)制電光晶體 ZnTe的折射率橢球,探測(cè)光偏振態(tài)隨之發(fā)生改變,由平衡二極管進(jìn)行探測(cè),信號(hào)送入鎖相放大器進(jìn)行放大,并通過改變延遲線長度的方法探測(cè) THz信號(hào)的整個(gè)時(shí)域波形。

為了防止空氣中水蒸氣對(duì) THz信號(hào)的影響,從產(chǎn)生 THz信號(hào)的 GaAs、樣品到探測(cè)晶體 ZnTe的這一段光路被密封在充有氮?dú)獾南潴w內(nèi)。箱內(nèi)的相對(duì)濕度小于4%,溫度為294 K。在信號(hào)掃描過程中,系統(tǒng)的信噪比為 1 000,譜分辨率好于 40 GHz。

由于植物油是液體,放在樣品容器中,采用在THz波段具有很小吸收率的遠(yuǎn)紅外石英比色皿作為容器,光程 5 mm,壁厚 1.2 mm,測(cè)量模型如圖 2所示。

介質(zhì) 1和介質(zhì) 3是器壁,介質(zhì) 2是待測(cè)植物油。信號(hào)在介質(zhì) 1和介質(zhì)2的端面處將發(fā)生反射和折射,由 Fresnel關(guān)系可以得到反射系數(shù)和透射系數(shù)。

則參考信號(hào)和樣品信號(hào)的 THz電場(chǎng)強(qiáng)度表達(dá)式為:

其中ηx(ω)=T01(ω)P1(ω)FP10x(ω)P3(ω) FP3x0(ω)T30(ω)為 THz波在介質(zhì) 1和介質(zhì) 3中的傳輸、傳播和多重反射因子。則傳輸函數(shù)表示為:

用 HMeasure(ω)代替 HThoery(ω),被測(cè)材料的折射率和吸收系數(shù)可表示為:

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)試得到的 THz時(shí)域譜如圖 3所示,圖 3表示 THz波分別通過放置空的比色皿參考信號(hào)和比色皿中分別放有三種植物油的樣品信號(hào)。為了增加信噪比,每個(gè)樣品的 THz時(shí)域譜進(jìn)行了三次測(cè)量值的平均。從圖 3中可以看出,透過盛有植物油樣品的 THz時(shí)域波形相對(duì)于空比色皿的參考波形振幅出現(xiàn)了一定程度的衰減,這是由于樣品的吸收造成。樣品波形相對(duì)于參考波形出現(xiàn)一定的時(shí)間延遲,山茶油的時(shí)間延遲為 8.27 ps,麻油的時(shí)間延遲為 8.4 ps,橄欖油的時(shí)間延遲為 8.4 ps,這是由于樣品的折射率大于空氣的折射率引起。

圖3 測(cè)試所得太赫茲波時(shí)域譜

根據(jù)公式(6)和公式(7)計(jì)算了三種植物油的折射率和吸收系數(shù),分別如圖 4和圖 5。從圖 4可以看出隨著頻率的增加三種植物油的折射率均逐漸降低。山茶油的平均折射率為 1.458,麻油的平均折射率為1.468,橄欖油的平均折射率為 1.452,三種植物油的折射率有明顯區(qū)別。從圖 5可以看出隨著頻率的增加三種植物油的吸收系數(shù)逐漸增加。三種植物油在 1.0 THz頻率以下,吸收譜出現(xiàn)小波動(dòng)(也就是假峰),這是由于測(cè)試器皿的 FP效應(yīng)引起的。山茶油在 1.27、1.37、1.48 THz處各有一個(gè)吸收峰,麻油在 1.25、1.35、1.46 THz處各有一個(gè)吸收峰,橄欖油在 1.29、1.39 THz處各有一個(gè)吸收峰。三種植物油在 THz波段所具有的特殊吸收性質(zhì)說明 THz時(shí)域光譜測(cè)量技術(shù)在植物油成分分析及質(zhì)量評(píng)價(jià)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

利用 THz時(shí)域譜技術(shù)對(duì)山茶油、麻油、橄欖油在0.3～1.5 THz波段的吸收特性進(jìn)行了研究,利用迭代算法計(jì)算得到折射率和吸收系數(shù)。山茶油的平均折射率為 1.458;麻油的平均折射率為 1.468;橄欖油的平均折射率為 1.452。山茶油在 1.27、1.37、1.48 THz處各有一個(gè)吸收峰,麻油在 1.25、1.35、1.46 THz處各有一個(gè)吸收峰,橄欖油在 1.29、1.39 THz處各有一個(gè)吸收峰。該研究成果對(duì)于植物油的成分分析及質(zhì)量評(píng)價(jià)將提供重要依據(jù)。

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Research on PlantOil byUsing Terahertz Ti me-Domain Spectroscopy

Li Jianrui Li Jiusheng
(College of Info rmation Engineering,China JiliangUniversity,Hangzhou 310018)

The terahertz time-domain spectroscopys(THz-TDS)of camellia oil,benne oil and olive oilwere measured in the frequency range extending from 0.3 to 1.5THz,and iterative algorithm was employed to determine important photics parameters including refractive index and absorption coefficient.Results:The absorption features of the three plant oils are quite different in such frequency range.Their average refractive indices are 1.458,1.468 and 1.452,respectively.W ith frequency increasing,the refractive index declines.THz-TDS can be used to distinguish different kinds of plant oil,and this work is meaningful for analyzing plant oil composition and esti mating plant oil quality.

plant oil,terahertz ti me-domain spectroscopy,absorption coefficient,refractive index

TS225.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-0174(2010)03-0112-03

浙江省科技廳資助項(xiàng)目(2008C23018),中國博士后科學(xué)基金(20070420118)

2009-03-19

李建蕊,女,1984年出生,碩士,太赫茲技術(shù)

李九生,男,1976年出生,副教授,太赫茲技術(shù)