植物油的太赫茲時域譜分析

李建蕊 李九生

(中國計量學(xué)院信息工程學(xué)院,杭州 310018)

植物油的太赫茲時域譜分析

李建蕊 李九生

(中國計量學(xué)院信息工程學(xué)院,杭州 310018)

利用太赫茲(THz)時域譜技術(shù)測量了山茶油、麻油、橄欖油在 0.3～1.5 THz范圍內(nèi)的 THz波時域譜,使用迭代算法來計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。該研究成果對于太赫茲時域光譜技術(shù)應(yīng)用于不同的植物油成分及質(zhì)量評價具有重要意義。

植物油 太赫茲時域譜 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,與分子振動及轉(zhuǎn)動能級之間躍遷的能量大致相當。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)及生物樣品的探測和識別[1-2]。近年來利用太赫茲時域譜 (THz-TDS)研究材料的特性有顯著進展,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。相對于遠紅外傅里葉變換光譜,太赫茲時域光譜在研究材料特性方面存在顯著優(yōu)勢。THz-TDS采用相干脈沖源,通常周期為 1～2 ps,直接得到電場的幅度和相位,通過傅里葉變換得到 THz頻譜圖,樣品的吸收系數(shù)和折射率由電場的幅度和相位決定,利用 THz時域譜可同時得到樣品折射率、吸收系數(shù)等光學(xué)參數(shù),無需通過 Kramers-Kr?nig公式計算,減小了計算誤差,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時域譜技術(shù)對山茶油、麻油、橄欖油在 0.3～1.5 THz波段進行測試,利用迭代算法計算得到三種植物油的吸收系數(shù)和折射率,并對這些參數(shù)進行了分析研究,為植物油質(zhì)量評價提供參考。

1 理論分析

試驗采用光路如圖 1所示,鈦藍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。進入 THz系統(tǒng)后,光束經(jīng)分束鏡分為較強的泵浦光和較弱的探測光。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)過兩個離軸金屬拋面鏡準直入射到樣品上,再經(jīng)過另兩個金屬拋面鏡聚焦到達 2 mm厚的碲化鋅 ZnTe晶體,與探測光匯合。這時THz電磁輻射脈沖的電場通過線性電光效應(yīng)調(diào)制電光晶體 ZnTe的折射率橢球,探測光偏振態(tài)隨之發(fā)生改變,由平衡二極管進行探測,信號送入鎖相放大器進行放大,并通過改變延遲線長度的方法探測 THz信號的整個時域波形。

為了防止空氣中水蒸氣對 THz信號的影響,從產(chǎn)生 THz信號的 GaAs、樣品到探測晶體 ZnTe的這一段光路被密封在充有氮氣的箱體內(nèi)。箱內(nèi)的相對濕度小于4%,溫度為294 K。在信號掃描過程中,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紅外石英比色皿作為容器,光程 5 mm,壁厚 1.2 mm,測量模型如圖 2所示。

介質(zhì) 1和介質(zhì) 3是器壁,介質(zhì) 2是待測植物油。信號在介質(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)。

則參考信號和樣品信號的 THz電場強度表達式為:

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),被測材料的折射率和吸收系數(shù)可表示為:

2 試驗結(jié)果

試驗測試得到的 THz時域譜如圖 3所示,圖 3表示 THz波分別通過放置空的比色皿參考信號和比色皿中分別放有三種植物油的樣品信號。為了增加信噪比,每個樣品的 THz時域譜進行了三次測量值的平均。從圖 3中可以看出,透過盛有植物油樣品的 THz時域波形相對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。樣品波形相對于參考波形出現(xiàn)一定的時間延遲,山茶油的時間延遲為 8.27 ps,麻油的時間延遲為 8.4 ps,橄欖油的時間延遲為 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 測試所得太赫茲波時域譜

根據(jù)公式(6)和公式(7)計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(也就是假峰),這是由于測試器皿的 FP效應(yīng)引起的。山茶油在 1.27、1.37、1.48 THz處各有一個吸收峰,麻油在 1.25、1.35、1.46 THz處各有一個吸收峰,橄欖油在 1.29、1.39 THz處各有一個吸收峰。三種植物油在 THz波段所具有的特殊吸收性質(zhì)說明 THz時域光譜測量技術(shù)在植物油成分分析及質(zhì)量評價具有潛在的應(yīng)用價值。

3 結(jié)論

利用 THz時域譜技術(shù)對山茶油、麻油、橄欖油在0.3～1.5 THz波段的吸收特性進行了研究,利用迭代算法計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處各有一個吸收峰,麻油在 1.25、1.35、1.46 THz處各有一個吸收峰,橄欖油在 1.29、1.39 THz處各有一個吸收峰。該研究成果對于植物油的成分分析及質(zhì)量評價將提供重要依據(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 文獻標識碼:A 文章編號:1003-0174(2010)03-0112-03

浙江省科技廳資助項目(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)