太赫茲(頻段主要指頻率從 100GHz到10THz、相應(yīng)波長從3mm 到30μm、介于毫米波與紅外光之間的電磁波頻段。 太赫茲頻段既是宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū),也是電子學向光子學的過渡區(qū)域,具有很多獨特的性質(zhì),例如光子能量低、對非極性物質(zhì)穿透能力強等。 在太赫茲頻段內(nèi),不僅很多相對可見光和紅外光不透明的材料是近似透明的,而且大多數(shù)生物戰(zhàn)劑、毒品和爆炸物具有明顯的特征吸收峰。 物質(zhì)材料在太赫茲頻段的特征波譜包含了豐富的物理和化學信息,尤其是凝聚態(tài)物質(zhì)的聲子頻率、大分子振動和轉(zhuǎn)動躍遷的特征頻譜均處于太赫茲頻段,半導(dǎo)體材料中的載流子對太赫茲輻射的響應(yīng)也非常靈敏。 目前,太赫茲頻段的研究不僅已形成與其他電磁波譜頻段的有力互補,而且已成為探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)、揭示物理化學過程的新手段。
物質(zhì)材料在太赫茲頻段的特征躍遷譜包含著非常豐富的物理和化學信息,研究物質(zhì)材料在太赫茲頻段的特征頻譜對于探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)和鑒別物質(zhì)化學成分具有重要意義。近年出現(xiàn)的太赫茲波譜測試技術(shù)是基于超短脈沖激光和太赫茲波特性開發(fā)的一種非常有效而且能夠在室溫穩(wěn)定工作的新型非接觸性無電離損傷探測技術(shù),可以有效探測物質(zhì)材料的物理特征信息(折射率、介電常數(shù))和化學特征信息(物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)內(nèi)部原子的集體振動或轉(zhuǎn)動以及分子間的弱相互作用引發(fā)的特征躍遷吸收譜)并進行辨識,已發(fā)展成為當今太赫茲研究領(lǐng)域非常前沿、非常炙手可熱的關(guān)鍵技術(shù)之一。
本書以典型物質(zhì)材料在太赫茲頻段的特征波譜測試關(guān)鍵技術(shù)、振動和轉(zhuǎn)動特征躍遷量化計算主要方法以及典型應(yīng)用為主線,結(jié)合作者十余年的相關(guān)研究成果和實踐經(jīng)驗,并借鑒和歸納總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域?qū)＜覍W者和科研人員的一些有價值的研究成果而完成。 本書適用于從事太赫茲波譜測試與分析技術(shù)、量化計算模擬、物質(zhì)辨識、材料鑒別、化學化工、生物醫(yī)學等領(lǐng)域研究工作的工程技術(shù)人員,以及科研院所和大中專高校相關(guān)專業(yè)的學生和科研人員。 作者力求通過自身努力對那些需要了解和認識太赫茲波譜技術(shù)及其應(yīng)用的人們有所幫助,衷心希望本書不僅能夠成為一本廣大讀者喜聞樂見、系統(tǒng)介紹太赫茲波譜技術(shù)和理論分析方法的專業(yè)參考書,而且希望通過本書的“拋磚引玉”,推動我國在太赫茲頻段相關(guān)研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論、技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用研究更加深入、全面、快速的發(fā)展。
本書共九章。1章主要介紹了太赫茲頻段特征波譜的形成機理及目前一些典型的太赫茲波譜技術(shù)。 第2章闡述了利用太赫茲波時域波譜技術(shù)獲取物質(zhì)材料物理特征信息(折射率、介電常數(shù)) 的計算方法,著重介紹了電子結(jié)構(gòu)理論、基組與基組函數(shù)、平面波與贗勢等理論計算方法以及目前常用的典型量化計算軟件。 第3章重點闡述了構(gòu)成生物功能大分子蛋白質(zhì)的基本組成單位———氨基酸(L 丙氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸)的太赫茲波譜實驗測試研究及太赫茲頻段振動模式的理論計算。 第4章主要闡述了構(gòu)成遺傳物質(zhì) DNA 的堿基分子嘧啶類物質(zhì)———胞嘧啶和胸腺嘧啶的太赫茲波譜研究進展。 第5章主要以葡萄糖和果糖以及無水葡萄糖和一水葡萄糖為代表闡述了糖類的太赫茲特征波譜實驗與理論研究。 第6章主要討論了鄰苯二酚、間苯二酚和對苯二酚以及2 吡啶甲酸、3 吡啶甲酸和4 吡啶甲酸兩組典型同分異構(gòu)體的實測太赫茲特征波譜及其振動模式的理論計算,并對比研究分析了鄰苯二酚在太赫茲頻段和中紅外頻段的特征吸收譜。 第7章主要闡述了分子結(jié)構(gòu)相似的苯甲酸和苯甲酸鈉以及水楊酸和水楊酸鈉的太赫茲波譜研究,結(jié)合理論計算模擬,對比分析了水楊酸與煙酸、異煙酸及2 吡啶甲酸的太赫茲特征波譜。 第8章簡要介紹了目前液相物質(zhì)的太赫茲頻段特征波譜研究現(xiàn)狀,結(jié)合量化計算模擬,重點討論了分子結(jié)構(gòu)相似的苯甲酸和苯甲酸鈉以及互為同分異構(gòu)體的葡萄糖和果糖水溶液的液相太赫茲頻段特征吸收譜,并對比分析了葡萄糖和果糖水溶液在太赫茲頻段與紅外頻段的特征吸收譜。 第9章太赫茲特征波譜技術(shù)應(yīng)用前景與面臨的挑戰(zhàn),主要是作者在總結(jié)歸納國內(nèi)外相關(guān)研究領(lǐng)域?qū)＜覍W者和科研人員新研究成果的基礎(chǔ)上,對寬頻帶太赫茲波譜技術(shù)及其未來應(yīng)用發(fā)展方向的展望與期盼。
作者十多年前開始從事寬頻帶太赫茲波譜技術(shù)及其應(yīng)用方面的研究工作,先后參與了英國、歐洲共同體等支持的太赫茲領(lǐng)域科研項目及中國起始太赫茲領(lǐng)域的國家自然科學基金重大項目、首輪太赫茲領(lǐng)域的國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目,主持了中國科學院“百人計劃”擇優(yōu)支持(引進國外杰出人才)項目“太赫茲光譜成像技術(shù)與應(yīng)用研究”、太赫茲領(lǐng)域的中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目“太赫茲成像關(guān)鍵技術(shù)研究”子課題“太赫茲波譜成像關(guān)鍵技術(shù)研究”及國家自然科學基金項目“亞波長金屬結(jié)構(gòu)高效太赫茲光電導(dǎo)發(fā)射天線研究”等。
作者感謝所有曾經(jīng)一起工作過的和現(xiàn)在正在一起工作的合作者們,本書大量引用了他們卓有成效且富有創(chuàng)造性的工作。 他們包括在我課題組學習(過)的學生鄭轉(zhuǎn)平、閆慧、丁玲、宋超、劉佳、陳徐、薛冰、陳龍超、梁玉慶、楊堅、徐利民、李慧、謝軍、陳澤優(yōu)、王開等;國內(nèi)的合作者趙衛(wèi)、程光華、楊文正、朱少嵐、湯潔
等。 特別感謝我在國外工作期間的合作者 A. G. Davies、E. H. Linfield、A. D.Burnett、P. C. Upadhya、J. E. Cunningham、H. G. M. Edwards、J. Kendrick、
T. Munshi、 M. Hargreaves、 Y. C. Shen、C. Wood、James Lloyd Hughes、EnriqueCastro Camus、 MichaelB. Johnston、J. A. Deibel、J. Kono、D. M.
Mittleman、A. Sengupta等。
作者特別感謝光昭女士的支持和鼓勵。
鑒于作者認知水平的局限,加之寫作時間倉促,本書難免存在疏漏與欠妥之處,懇請廣大讀者不吝賜教,批評指正。