植物油的太赫兹时域谱分析

李建蕊 李九生

(中国计量学院信息工程学院,杭州 310018)

植物油的太赫兹时域谱分析

李建蕊 李九生

(中国计量学院信息工程学院,杭州 310018)

利用太赫兹(THz)时域谱技术测量了山茶油、麻油、橄榄油在 0.3～1.5 THz范围内的 THz波时域谱,使用迭代算法来计算分析三种植物油的折射率、吸收系数等重要的光学参数。结果表明三种植物油的吸收系数在此波段存在显著差异,三种植物油的平均折射率分别为 1.458,1.468和 1.452,植物油的折射率随着频率的增加而逐渐减小。该研究成果对于太赫兹时域光谱技术应用于不同的植物油成分及质量评价具有重要意义。

植物油 太赫兹时域谱 吸收系数 折射率

太赫兹 (Terahertz,THz)波通常是指频率在0.1～10 THz区间的电磁波,其光子的能量约为 1～10 meV,与分子振动及转动能级之间跃迁的能量大致相当。因此,物质的 THz光谱包含丰富的物理性质和化学信息,其吸收和色散特性可用来做爆炸物、药物等化学及生物样品的探测和识别[1-2]。近年来利用太赫兹时域谱 (THz-TDS)研究材料的特性有显著进展,如Quema[3]利用 THz-TDS研究了环境污染,Nashim等[4]研究了半导体材料,Jin等[5]研究了聚合物,Shen等[6]研究了爆炸物的太赫兹特性。Ja2 cobsen等[7]分析了气体材料太赫兹光谱等。相对于远红外傅里叶变换光谱,太赫兹时域光谱在研究材料特性方面存在显著优势。THz-TDS采用相干脉冲源,通常周期为 1～2 ps,直接得到电场的幅度和相位,通过傅里叶变换得到 THz频谱图,样品的吸收系数和折射率由电场的幅度和相位决定,利用 THz时域谱可同时得到样品折射率、吸收系数等光学参数,无需通过 Kramers-Kr˚nig公式计算,减小了计算误差,为定量分析提供更多有用信息。

植物油质量好坏直接关系着人类健康[8-10]。利用 THz时域谱技术对山茶油、麻油、橄榄油在 0.3～1.5 THz波段进行测试,利用迭代算法计算得到三种植物油的吸收系数和折射率,并对这些参数进行了分析研究,为植物油质量评价提供参考。

1 理论分析

试验采用光路如图 1所示,钛蓝宝石飞秒锁模脉冲激光器产生中心波长为 800 nm、重复频率为 80 MHz、脉冲宽度为 100 fs的激光光源,输出功率 960 mW。进入 THz系统后,光束经分束镜分为较强的泵浦光和较弱的探测光。泵浦光被斩波器调制,经透镜聚焦后射向光电导天线砷化镓 (GaAs)晶体激发THz脉冲。THz脉冲经过两个离轴金属抛面镜准直入射到样品上,再经过另两个金属抛面镜聚焦到达 2 mm厚的碲化锌 ZnTe晶体,与探测光汇合。这时THz电磁辐射脉冲的电场通过线性电光效应调制电光晶体 ZnTe的折射率椭球,探测光偏振态随之发生改变,由平衡二极管进行探测,信号送入锁相放大器进行放大,并通过改变延迟线长度的方法探测 THz信号的整个时域波形。

为了防止空气中水蒸气对 THz信号的影响,从产生 THz信号的 GaAs、样品到探测晶体 ZnTe的这一段光路被密封在充有氮气的箱体内。箱内的相对湿度小于4%,温度为294 K。在信号扫描过程中,系统的信噪比为 1 000,谱分辨率好于 40 GHz。

由于植物油是液体,放在样品容器中,采用在THz波段具有很小吸收率的远红外石英比色皿作为容器,光程 5 mm,壁厚 1.2 mm,测量模型如图 2所示。

介质 1和介质 3是器壁,介质 2是待测植物油。信号在介质 1和介质2的端面处将发生反射和折射,由 Fresnel关系可以得到反射系数和透射系数。

则参考信号和样品信号的 THz电场强度表达式为:

其中ηx(ω)=T01(ω)P1(ω)FP10x(ω)P3(ω) FP3x0(ω)T30(ω)为 THz波在介质 1和介质 3中的传输、传播和多重反射因子。则传输函数表示为:

用 HMeasure(ω)代替 HThoery(ω),被测材料的折射率和吸收系数可表示为:

2 试验结果

试验测试得到的 THz时域谱如图 3所示,图 3表示 THz波分别通过放置空的比色皿参考信号和比色皿中分别放有三种植物油的样品信号。为了增加信噪比,每个样品的 THz时域谱进行了三次测量值的平均。从图 3中可以看出,透过盛有植物油样品的 THz时域波形相对于空比色皿的参考波形振幅出现了一定程度的衰减,这是由于样品的吸收造成。样品波形相对于参考波形出现一定的时间延迟,山茶油的时间延迟为 8.27 ps,麻油的时间延迟为 8.4 ps,橄榄油的时间延迟为 8.4 ps,这是由于样品的折射率大于空气的折射率引起。

图3 测试所得太赫兹波时域谱

根据公式(6)和公式(7)计算了三种植物油的折射率和吸收系数,分别如图 4和图 5。从图 4可以看出随着频率的增加三种植物油的折射率均逐渐降低。山茶油的平均折射率为 1.458,麻油的平均折射率为1.468,橄榄油的平均折射率为 1.452,三种植物油的折射率有明显区别。从图 5可以看出随着频率的增加三种植物油的吸收系数逐渐增加。三种植物油在 1.0 THz频率以下,吸收谱出现小波动(也就是假峰),这是由于测试器皿的 FP效应引起的。山茶油在 1.27、1.37、1.48 THz处各有一个吸收峰,麻油在 1.25、1.35、1.46 THz处各有一个吸收峰,橄榄油在 1.29、1.39 THz处各有一个吸收峰。三种植物油在 THz波段所具有的特殊吸收性质说明 THz时域光谱测量技术在植物油成分分析及质量评价具有潜在的应用价值。

3 结论

利用 THz时域谱技术对山茶油、麻油、橄榄油在0.3～1.5 THz波段的吸收特性进行了研究,利用迭代算法计算得到折射率和吸收系数。山茶油的平均折射率为 1.458;麻油的平均折射率为 1.468;橄榄油的平均折射率为 1.452。山茶油在 1.27、1.37、1.48 THz处各有一个吸收峰,麻油在 1.25、1.35、1.46 THz处各有一个吸收峰,橄榄油在 1.29、1.39 THz处各有一个吸收峰。该研究成果对于植物油的成分分析及质量评价将提供重要依据。

[1]马士华,施宇蕾,严伟,等.酪氨酸的太赫兹频谱研究[J].光谱学与光谱分析,2007,27(9):1665-1668

[2]李宁,沈京玲,贾燕,等.阿莫西林的太赫兹光谱研究[J].光谱学与光谱分析,2007,27(9):1692-1695

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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 文献标识码:A 文章编号:1003-0174(2010)03-0112-03

浙江省科技厅资助项目(2008C23018),中国博士后科学基金(20070420118)

2009-03-19

李建蕊,女,1984年出生,硕士,太赫兹技术

李九生,男,1976年出生,副教授,太赫兹技术