云冈石窟石质、降尘样品的太赫兹光谱分析

杨成全，孟田华，卢玉和

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

云冈石窟石质、降尘样品的太赫兹光谱分析

杨成全，孟田华，卢玉和

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

利用太赫兹时域光谱系统，分析了由云冈石窟所采集的石柱、降尘和新鲜岩石3种样品在THz波段的光谱特征。通过比较分析得出，3种样品在整个波段，均无明显的吸收峰，低频区吸收都很弱，高频区吸收系数以接近指数函数趋势增长，特别是降尘的吸收最大，新鲜岩石的次之，石柱的吸收最弱。在整个波段，石柱的折射率很稳定，基本不发生变化，其余两个样品的折射率则发生波动。

云冈石窟；太赫兹波；吸收峰

云冈石窟与敦煌莫高窟、洛阳龙门石窟和麦积山石窟并称为“中国四大石窟”。近年来，许多研究小组采用不同的技术方法对云冈石窟进行了研究，诸如微测深仪深度测试法、火焰原子吸收光谱法，X射线荧光分析法和电感耦合等离子体发射光谱法等［1-4］。本文利用太赫兹时域光谱技术这一新的有效检测手段［5-9］对由云冈石窟采集的3个不同样品在0.2THz～2.5THz波段的光谱进行研究。

1 实验部分

1.1 实验样品及制备

3个样品分别是：（1）云冈石窟第9窟前石柱上采集的小颗粒，标记为shi zhu；（2）第4窟石像脸部表面收集的降尘，标记为jiang chen；（3）石窟附近开采出来新鲜岩石采集的小颗粒，标记为new stone。实验中，先将样品按标准研磨，接着用聚乙烯粉末以1：2的比例均匀混合，最后用红外压片机以5t的压力制成厚度分别如表1所列、直径为1.3cm的圆形薄片。用聚乙稀进行掺杂的原因是，一方面聚乙稀起粘合和稀释作用，另一方面在太赫兹波段聚乙稀透射率为80％以上而且无吸收峰，这样对样品所获得的谱线不产生任何影响。

表1 各样品在0.85THz处的光学常数

1.2 实验装置及数据处理

使用首都师范大学的国家重点实验室——太赫兹实验室的太赫兹时域光谱透射系统进行测量［10］，实验装置如图1所示。

图1 THz-TDS实验装置示意图

数据处理是采用T.D.Domey等人提出的太赫兹时域光谱技术提取材料光学常数的模型［11］，得到样品的吸收谱和折射谱。

2 结果和讨论

图2中大图是由THz-TDS测的太赫兹时域参考信号（reference）和透过3种样品后的太赫兹时域谱波形。比较可得透过样品的太赫兹时域波形相对于参考信号的波形，振幅出现了一定程度的衰减和振荡，主要是由于样品表面的多次反射即法布里-珀罗干涉效应造成的。利用Origin软件对时域波形进行快速傅立叶变换和必要的数学处理，便可得到参考信号和样品的频域谱如图2右上部分的小图所示。

频域谱显示出样品信号相对于参考信号明显不同。这是由于样品中不同的波速引起太赫兹脉冲相对于空载时的时间延迟不同，样品对太赫兹波的反射和吸收使脉冲强度降低，而样品的色散则展宽了脉冲。频域谱最大峰值对应0.85THz，也即此处THz光强最大，所以我们选取这一频率，分别从图3和图4中提取出各样品对太赫兹辐射的吸收系数和折射率数据列入表1中。从图中还可得出，在整个波段，石柱的强度最大、有效谱宽也最长，新鲜岩石的次之，而降尘的强度最小、有效谱宽也最短。这些都说明光透过降尘时很快就被衰减掉了。

图2 时域谱与频域谱

利用T.D.Domey等人提出的太赫兹时域光谱技术提取材料光学常数模型中的相关公式并使用Matlab软件编程，可以得到这3种样品的吸收系数谱（如图3）和折射率谱（图4）。由吸收系数曲线可以看出，在低频区，3种样品的吸收曲线均呈现缓慢上升趋势，吸收都很弱；在高频区则明显区分开来，尤其是降尘的吸收明显地以接近指数函数的趋势增大。在整个波段，3个样品均无明显吸收峰，这是由光散射或样品宽而无结构引起的。

由折射率曲线（图4）可以看出这3种样品的折射率存在差异。整个波段，石柱的折射率为1.51基本没发生变化。但是在低频区，降尘的折射率略大于新鲜岩石的，高频区新鲜岩石大些。再补充一点，折射率的差异不是由样品厚度的不同引起的［11］。因此，这种差异可能是样品中成分的不同所造成的，在分析中可以作为一个有效的参考信息。

由于太赫兹波对分子结构的微弱变化非常敏感，所以各个不同样品在太赫兹波段的吸收谱和折射谱存在明显的差异，这样可以将不同样品区分开来，并可以进一步分析它们的年代、成分及进行风化程度的鉴别。这些表明太赫兹波在石窟研究领域具有很大的应用潜力。

图3 吸收谱

图4 折射谱

3 结论和展望

3种样品在0.20THz～2.5THz之间，均无明显吸收峰，在低频区吸收都很弱，高频区表现为：降尘的吸收最大，新鲜岩石的次之，石柱的吸收最弱。在整个波段，石柱的折射率很稳定基本不发生变化，其余两个样品的折射率则发生波动。据此，我们可以将这3种样品区分鉴别开来。

虽然根据目前的结果，还不能对不同石窟样品的年代、成分及风化情况做定量分析，但是通过比较太赫兹波段的吸收谱线和折射率曲线的差异，不但可以将不同石窟样品区分开来，而且还能为研究石窟的其他学者提供此波段的光学常数。在这方面还有大量的工作需要做，也说明太赫兹波在石窟研究方面还有广阔的应用前景。

［1］刘月成，王尚芝，李海，等.火焰原子吸收光谱法测定云冈石窟风化岩石中钙铜铁锰［J］.冶金分析，2010，30（2）：38-41.

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［3］黄继忠，解廷藩，张莉.石窟大气粉尘中无机离子的分析［J］.文物季刊，1997（3）：31.

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［5］曹丙花，范孟豹，荆胜羽.抗坏血酸的太赫兹波时域光谱研究［J］.光谱学与光谱分析，2010，30（12）：1748-1751.

［6］Fischer B M，Walther M，Jepsen P Uhd.Far-infrared vibrational modes of DNA components studied by terahertz time-domain spectroscopy［J］.Phys Med Biol，2002（7）：3807-3814.

［7］Brucherseifer M，Nagel M，Haring Bolivar P，et al.Label-free probing of the binding state of DNA by time-domain terahertz sensing［J］.Appl Phys Lett，2000（77）：4049.

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［10］孟田华，赵国忠，张存林.亚波长分形结构太赫兹透射增强的机理研究［J］.物理学报，2008，57（6）：3846-3852.

［11］DuvillaretL，GaretF，CoutazJ-L.Highly Precise Determination of Optical Constantsand Sample Thicknessin Terahertz Time-Domain Spectroscopy［J］.Applied Optics，1999（38）：409-415.

〔编辑 李海〕

Research on Terahertz Spectrum of the YunGang Grotto Samples

YANG Cheng－quan，MENG Tian－hua，LU Yu－he
（School of Physics and Electronics Science，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009）

In this paper，the terahertz time domain spectroscopy technology is used to analyse the terahertz spectral characteristics of the World Cultural Heritages of Yungang Grottoes samples.The three samples are column，dust and fresh rock separately.It is found that the three samples have not distinct absorption peak in the whole THz wave band.Experimental results also indicate that all of the samples have weak absorption in low frequency region，but the absorption coefficient increased quickly by exponential function as the frequency increasing.This character is more obvious especially for the absorption spectrum of the dust，followed by fresh rock；column＇s absorption is the weakest.In the whole THz wave band，the refraction coefficient of column is very stable，while the other two samples are fluctuated.

Yungang Grottoes；Terahertz wave；absorption peak

O433.2

A

1674－0874（2011）02－0017－03

2011－03－01

国家科技支撑计划课题［2009BAK53B01］；山西省自然科学基金课题［20051030］；山西省高等学校哲学社会科学基地政府研究项目［2010317］；山西大同大学科学研究资助项目［2010Q1］

杨成全（1955－），男，山西忻州人，教授，研究方向：凝聚态物理.