基于太赫兹时域光谱检测技术地研究

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1、摘要本文应用太赫兹时域光谱系统分别在物质的THz光谱分析、材料识别、定量分析和混合物的THz光谱剥离四个方面做了一系列相关的研究工作。获得了一些常见的农药分子在THz波段的光谱特性并应用量子化学理论进行理论解析；成功地将模式识别的方法应用到物质的THz光谱分析中，实现对物质的识别；应用相关分析、线性回归和偏最小二乘方法等分析物质的THz光谱数据，实现物质的定量分析；应用高斯函数和洛伦兹函数对混合物的THz光谱进行光谱剥离和模拟。本文主要工作和创新点总结如下：(1)利用THz时域光谱技术对七种常见农药分子进行了TH

2、z光谱研究，得到了这些农药分子在有效频率范围内的THz频率谱、吸收光谱和折射率谱。结果表明七种农药分子在THz波段均存在明显的吸收特性，而且不同农药分子的吸收光谱有明显不同。该研究结果为建立农药分子在THz波段的指纹光谱库以及深入分析农药分子的构型、构象等提供了重要的实验依据。(2)为了深入理解所研究农药分子吸收谱的理论机理，应用量子化学计算的方法对乐果分子和灭多威分子进行了理论模拟，借助于量子化学计算软件Gaussian03，应用密度泛函理论的Becke．3．Lee-Yang．Parr(B3LYP)方法得到了这

3、两种分子在THz波段的振动特性。将理论计算的结果与实验结果做对照，结果表明两者比较吻合，这为实验得到的农药分子的THz吸收特性提供了理论佐证。根据理论计算结果，借助于可视化软件GaussView3．07，本文还对乐果分子和灭多威分子在THz波段的振动模式进行了详细指认，并给出了与光谱特征吸收相对应的分子振动构象。研究表明这两种分子在THz波段的吸收由分子内振动模式和分子间振动模式共同引起。经进一步分析认为分子内振动模式主要由多个原子参与的集体振动模式和骨架的扭动模式等引起。(3)提出了基于太赫兹时域光谱技术的纺织

4、纤维鉴别方法。应用主成分分析法提取纤维材料的THz光谱的主成分，然后应用马氏距离分类法进行分类，结果表明以纤维的THz光谱作为特征可以很好地将结构相似的纺织纤维分开。(4)提出了基于太赫兹时域光谱技术的茶叶分类方法。以茶叶在THz波段的吸收光谱作为数据特征，应用支持向量机方法对茶叶进行分类。结果表明，无需应用复杂的特征提取方法，支持向量机方法即可将茶叶准确分开。这一方面说明茶叶的THz光谱能够很III浙江大学博士学位论文好的代表茶叶的特性，另一方面也说明支持向量机算法非常适合处理物质的THz光谱数据。(5)应用相

5、关分析、线性回归和偏最小二乘方法分析不同浓度的酒石酸的THz光谱数据，对酒石酸的浓度进行预测。文中给出了两种方法，一种方法是用相关分析选出最能反应酒石酸浓度信息的频率点，然后以此处的吸收系数作为数据，应用线性回归计算酒石酸的浓度；另一种方法是应用偏最小二乘法处理不同浓度的酒石酸在某一频段的吸收光谱数据，用留一法进行验证，对酒石酸的浓度进行预测。这两种方法均得到了很高的预测精度，有望在THz技术的实际应用中得到广泛应用。(6)提出了基于THz时域光谱技术的纸页定量检测方法。阐述了两种测量原理，基于透过纸页的THz波

6、形的幅度衰减和基于延迟时间的模型，并通过实验比较了两种方法的有效性，结果表明基于延迟时间的模型更适合于描述纸页的定量值。本研究还表明THz技术可以应用于很多干燥的非极性材料的定量分析，在实际应用中具有广阔的应用前景。(7)提出了基于高斯函数和洛伦兹函数的混合物THz光谱的剥离和模拟方法。分别应用高斯函数和洛伦兹函数对酒石酸和L．抗坏血酸混合物的THz光谱进行剥离。经分析认为应用均方根误差RMSE作为判别准则确定拟合函数类型和峰函数个数可以得到很好的模拟准确性。研究结果表明应用洛伦兹函数对物质的THz光谱进行剥离效

7、果更好，本文研究初步表明在混合物中各成分在THz波段的吸收峰个数已知的情况下可以得到很高的剥离准确性。关键词：太赫兹波，光谱分析，集体振动模式，模式识别，定量分析，光谱剥离说明：本文得到了国家自然科学基金项目(编号：60774054)和教育部博士点基金项目(编号：20070335123)的资助。IVAbstractTerahertztimedomainspectroscopy(THz—TDS)isusedintheterahertzspectroscopyofmaterial，materialidentifica

8、tionandquantitativeanalysisofmaterial．ExfoliationofTHzspectraisalsostudied．TheterahertzspectraofsomecornlTlOnpesticidesareobtainedbyTHz—TDS．Quantumchemicalcalculationisemployedtoanalyzeth