太赫兹频段主要指频率从 100GHz到10THz、相应波长从3mm 到30m、介于毫米波与红外光之间的电磁波频段。 太赫兹频段既是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区,也是电子学向光子学的过渡区域,具有很多独特的性质,例如光子能量低、对非极性物质穿透能力强等。 在太赫兹频段内,不仅很多相对可见光和红外光不透明的材料是近似透明的,而且大多数生物战剂、毒品和爆炸物具有明显的特征吸收峰。 物质材料在太赫兹频段的特征波谱包含了丰富的物理和化学信息,尤其是凝聚态物质的声子频率、大分子振动和转动跃迁的特征频谱均处于太赫兹频段,半导体材料中的载流子对太赫兹辐射的响应也非常灵敏。 目前,太赫兹频段的研究不仅已形成与其他电磁波谱频段的有力互补,而且已成为探索物质结构、揭示物理化学过程的新手段。物质材料在太赫兹频段的特征跃迁谱包含着非常丰富的物理和化学信息,研究物质材料在太赫兹频段的特征频谱对于探索物质结构和鉴别物质化学成分具有重要意义。近年出现的太赫兹波谱测试技术是基于超短脉冲激光和太赫兹波特性开发的一种非常有效而且能够在室温稳定工作的新型非接触性无电离损伤探测技术,可以有效探测物质材料的物理特征信息折射率、介电常数和化学特征信息物质分子结构内部原子的集体振动或转动以及分子间的弱相互作用引发的特征跃迁吸收谱并进行辨识,已发展成为当今太赫兹研究领域非常前沿、非常炙手可热的关键技术之一。本书以典型物质材料在太赫兹频段的特征波谱测试关键技术、振动和转动特征跃迁量化计算主要方法以及典型应用为主线,结合作者十余年的相关研究成果和实践经验,并借鉴和归纳总结国内外相关研究领域专家学者和科研人员的一些有价值的研究成果而完成。 本书适用于从事太赫兹波谱测试与分析技术、量化计算模拟、物质辨识、材料鉴别、化学化工、生物医学等领域研究工作的工程技术人员,以及科研院所和大中专高校相关专业的学生和科研人员。 作者力求通过自身努力对那些需要了解和认识太赫兹波谱技术及其应用的人们有所帮助,衷心希望本书不仅能够成为一本广大读者喜闻乐见、系统介绍太赫兹波谱技术和理论分析方法的专业参考书,而且希望通过本书的抛砖引玉,推动我国在太赫兹频段相关研究领域的基础理论、技术开发及应用研究更加深入、全面、快速的发展。本书共九章。1章主要介绍了太赫兹频段特征波谱的形成机理及目前一些典型的太赫兹波谱技术。 第2章阐述了利用太赫兹波时域波谱技术获取物质材料物理特征信息折射率、介电常数 的计算方法,着重介绍了电子结构理论、基组与基组函数、平面波与赝势等理论计算方法以及目前常用的典型量化计算软件。 第3章重点阐述了构成生物功能大分子蛋白质的基本组成单位氨基酸L 丙氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的太赫兹波谱实验测试研究及太赫兹频段振动模式的理论计算。 第4章主要阐述了构成遗传物质 DNA 的碱基分子嘧啶类物质胞嘧啶和胸腺嘧啶的太赫兹波谱研究进展。 第5章主要以葡萄糖和果糖以及无水葡萄糖和一水葡萄糖为代表阐述了糖类的太赫兹特征波谱实验与理论研究。 第6章主要讨论了邻苯二酚、间苯二酚和对苯二酚以及2 吡啶甲酸、3 吡啶甲酸和4 吡啶甲酸两组典型同分异构体的实测太赫兹特征波谱及其振动模式的理论计算,并对比研究分析了邻苯二酚在太赫兹频段和中红外频段的特征吸收谱。 第7章主要阐述了分子结构相似的苯甲酸和苯甲酸钠以及水杨酸和水杨酸钠的太赫兹波谱研究,结合理论计算模拟,对比分析了水杨酸与烟酸、异烟酸及2 吡啶甲酸的太赫兹特征波谱。 第8章简要介绍了目前液相物质的太赫兹频段特征波谱研究现状,结合量化计算模拟,重点讨论了分子结构相似的苯甲酸和苯甲酸钠以及互为同分异构体的葡萄糖和果糖水溶液的液相太赫兹频段特征吸收谱,并对比分析了葡萄糖和果糖水溶液在太赫兹频段与红外频段的特征吸收谱。 第9章太赫兹特征波谱技术应用前景与面临的挑战,主要是作者在总结归纳国内外相关研究领域专家学者和科研人员新研究成果的基础上,对宽频带太赫兹波谱技术及其未来应用发展方向的展望与期盼。作者十多年前开始从事宽频带太赫兹波谱技术及其应用方面的研究工作,先后参与了英国、欧洲共同体等支持的太赫兹领域科研项目及中国起始太赫兹领域的国家自然科学基金重大项目、首轮太赫兹领域的国家重点基础研究发展计划973计划项目,主持了中国科学院百人计划择优支持引进国外杰出人才项目太赫兹光谱成像技术与应用研究、太赫兹领域的中国科学院知识创新工程重要方向项目太赫兹成像关键技术研究子课题太赫兹波谱成像关键技术研究及国家自然科学基金项目亚波长金属结构高效太赫兹光电导发射天线研究等。作者感谢所有曾经一起工作过的和现在正在一起工作的合作者们,本书大量引用了他们卓有成效且富有创造性的工作。 他们包括在我课题组学习过的学生郑转平、闫慧、丁玲、宋超、刘佳、陈徐、薛冰、陈龙超、梁玉庆、杨坚、徐利民、李慧、谢军、陈泽优、王开等;国内的合作者赵卫、程光华、杨文正、朱少岚、汤洁等。 特别感谢我在国外工作期间的合作者 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。作者特别感谢光昭女士的支持和鼓励。鉴于作者认知水平的局限,加之写作时间仓促,本书难免存在疏漏与欠妥之处,恳请广大读者不吝赐教,批评指正。
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