為了得到材料的復(fù)數(shù)頻率響應(yīng)，通常會(huì)利用超短脈沖泵浦激光的非線性過(guò)程產(chǎn)生一個(gè)特定頻率范圍的太赫茲脈沖。太赫茲脈沖會(huì)在樣品中透射以及被反射。隨后，太赫茲波通過(guò)基于非線性技術(shù)的電光采樣或者光電導(dǎo)天線利用超短探測(cè)脈沖進(jìn)行采集，這樣就能將太赫茲波的瞬時(shí)電場(chǎng)記錄下來(lái)。探測(cè)光與太赫茲脈沖之間的時(shí)延使得采集到的數(shù)據(jù)可以用來(lái)重構(gòu)完整的太赫茲波形中電磁場(chǎng)的幅度以及相位。與其他超快光學(xué)技術(shù)例如泵浦-探測(cè)光譜類似的是，其時(shí)間分辨率取決于探測(cè)光脈沖的寬度而并非光電探測(cè)器或者測(cè)量電路的帶寬。 這就意味著太赫茲時(shí)域光譜可以觀測(cè)到一個(gè)太赫茲脈沖周期內(nèi)的波形變化。

來(lái)自飛秒激光器的脈沖序列被分為兩束。其中能量較大的一束為泵浦脈沖;另一束作為探測(cè)光(探測(cè)脈沖)，其后經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲系統(tǒng)作用于THz探測(cè)器。泵浦脈沖入射到THz發(fā)射器產(chǎn)生THz脈沖，而后透過(guò)樣品，與經(jīng)過(guò)時(shí)延系統(tǒng)的探測(cè)脈沖匯合后通過(guò)THz探測(cè)器，最后采用鎖相放大器來(lái)探測(cè)其微弱的電場(chǎng)變化。通過(guò)控制時(shí)間延遲系統(tǒng)調(diào)節(jié)泵浦脈沖和探測(cè)脈沖之間的時(shí)間延遲，掃描這個(gè)時(shí)間延遲就可以獲得 THz脈沖的時(shí)域波形。該波形經(jīng)傅里葉變換之后，就可得到被測(cè)樣品的頻譜，對(duì)比放置樣品前后頻譜的改變，就可獲得樣品的透射率、折射率、吸收系數(shù)、介電常數(shù)等光學(xué)參數(shù)。

要探測(cè)和分析物質(zhì)的特性，物理方法和化學(xué)方法都是宏觀的，要微觀分析物質(zhì)特性，包括分子結(jié)構(gòu)，必須用微觀的分析方法。光譜分析方法現(xiàn)在應(yīng)用得非常多。

物質(zhì)的太赫茲光譜

任何絕對(duì)溫度以上的物體都會(huì)發(fā)出太赫茲輻射（太赫茲波）。不同的物質(zhì)，發(fā)出的太赫茲波的頻率表現(xiàn)是不一樣的。也就是說(shuō)，在太赫茲頻段內(nèi)，有些頻率的輻射明顯地突出，有些頻率的輻射明顯的弱，把這些表現(xiàn)集中在一起，就是物質(zhì)的太赫茲光譜，只不過(guò)物質(zhì)自身所發(fā)射的太赫茲輻射太微弱而且看不見(jiàn)。

怎么才能測(cè)量并描繪出物質(zhì)的太赫茲光譜呢?

用紅外光照射物體，只能讓幾個(gè)原子活躍起來(lái)，用太赫茲光照射物體可以讓分子活躍起來(lái)。由此可知，外面照射的太赫茲光可能會(huì)和物質(zhì)所發(fā)射的太赫茲光在某些頻率上發(fā)生共振;如果把共振的和不共振的頻率描繪出來(lái)，就得到物質(zhì)的太赫茲光譜了。

怎么知道物質(zhì)在某種太赫茲頻率上發(fā)生共振了?

用物質(zhì)對(duì)太赫茲輻射的吸收表現(xiàn)來(lái)說(shuō)明。當(dāng)太赫茲輻射透過(guò)物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)對(duì)某種頻率的輻射吸收得多，也就是在這個(gè)頻率發(fā)生共振了，外來(lái)能量共振轉(zhuǎn)化為分子內(nèi)部的能量了，在這種情況下，透過(guò)量就相對(duì)小;如果物質(zhì)對(duì)某種頻率的輻射吸收得少，則透過(guò)量就大。

于是，人們利用整個(gè)太赫茲頻段照射物質(zhì)，利用輻射的透過(guò)量，可以檢測(cè)出物質(zhì)對(duì)太赫茲輻射的吸收譜，這就是物質(zhì)的太赫茲光譜。

用什么手段去獲得物質(zhì)太赫茲光譜?

首先需要太赫茲光譜儀。現(xiàn)在，市面上就有太赫茲光譜儀出售。

獲取液態(tài)樣本的太赫茲光譜。把液體裝在聚乙烯袋子中，用夾片控制液體樣本的厚度，夾片上開(kāi)多個(gè)小的矩形孔，用全頻段(在整個(gè)太赫茲頻段內(nèi)是均衡強(qiáng)度)的太赫茲光束從矩形孔中射入，在夾片的對(duì)面，細(xì)密(納米級(jí))采樣得到透過(guò)量的數(shù)據(jù)，再把多個(gè)小孔的照射結(jié)果平均，就得到了該液體樣本的太赫茲光譜。如果采樣數(shù)據(jù)是透過(guò)量的輻射強(qiáng)度，經(jīng)數(shù)學(xué)方法處理，得到的是物質(zhì)的太赫茲吸收率譜，如果采樣數(shù)據(jù)是電場(chǎng)強(qiáng)度，經(jīng)數(shù)學(xué)方法處理，得到的是物質(zhì)的太赫茲介電響應(yīng)譜。

獲取固態(tài)樣本的太赫茲光譜。把固態(tài)物質(zhì)做成薄片，放置于夾片中，其它的檢測(cè)方法與液體的檢測(cè)方法相同。

同樣也可以獲取氣態(tài)樣本的太赫茲光譜。

值得說(shuō)明的是：

1.無(wú)論液體樣品檢測(cè)或是固態(tài)樣品檢測(cè)，都要在確定的溫度下、確定的樣品厚度下、確定的太赫茲光強(qiáng)度下，進(jìn)行檢測(cè)，這樣的檢測(cè)結(jié)果便于對(duì)比。人們可以把若干物質(zhì)的太赫茲吸收率譜收集在一起，構(gòu)成物質(zhì)的太赫茲光譜庫(kù)。

2.如果檢測(cè)樣品的厚度不同，測(cè)出來(lái)的太赫茲光譜會(huì)相同嗎?

只要分析一下透過(guò)量光譜就會(huì)明白，當(dāng)樣本厚度不同時(shí)，透過(guò)量一定會(huì)有變化，但是，樣本物質(zhì)在特定頻率上發(fā)射共振(吸收表現(xiàn)強(qiáng))是不會(huì)改變的，因?yàn)檫@是物質(zhì)的本性。所以，看物質(zhì)的太赫茲光譜，主要看吸收峰值所對(duì)應(yīng)的太赫茲波的頻率。

下面展示了甲醚(DNAN)、六硝基芪(HNS)和二硝基亞甲基-四唑(DNMT)這三種粉末的太赫茲透射光譜。

該圖的橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)是對(duì)不同頻率波的吸收率。

上面三個(gè)圖可見(jiàn)，某種物質(zhì)對(duì)某些頻率的太赫茲波的吸收率高(在圖中表現(xiàn)為曲線的低端處)，對(duì)某些頻率的太赫茲波的吸收率低(在圖中表現(xiàn)為曲線的高處);這種表現(xiàn)對(duì)不同物質(zhì)是不相同的，這就是某物質(zhì)的太赫茲光譜。

再舉一個(gè)例子，對(duì)不同的草種得到太赫茲光譜，如下圖

該圖是介電響應(yīng)光譜，橫坐標(biāo)是頻率，縱坐標(biāo)是電場(chǎng)強(qiáng)度，觀察物質(zhì)的特性注意看凸起的峰值所對(duì)應(yīng)的頻率。當(dāng)然，不同的種子，會(huì)與不同頻率的太赫茲波共振。

物質(zhì)太赫茲光譜有什么意義？

不同的物質(zhì)有不同的太赫茲光譜，換句話說(shuō)，不同的太赫茲光譜代表了不同的物質(zhì)。

就像樂(lè)譜一樣，不同的曲子有不同的樂(lè)譜，不同的樂(lè)譜代表了不同的曲子。就像基因譜一樣，不同的生物細(xì)胞有不同的基因譜，不同基因譜代表了不的生物細(xì)胞。

就像研究基因圖譜那樣，人們可以構(gòu)建不同物質(zhì)的太赫茲光譜的圖庫(kù)，通過(guò)比對(duì)，可以區(qū)分不同物質(zhì)，還可以找出它們之間的區(qū)別和聯(lián)系。

總之，人們可以開(kāi)啟想象的空間，太赫茲光譜的應(yīng)用前景不可限。

二．太赫茲光譜的應(yīng)用

在液體檢測(cè)方面的應(yīng)用。

用太赫茲射線照射被檢測(cè)的液體，希望檢測(cè)液體中是否含有A物質(zhì)。辦法是簡(jiǎn)單的。事先準(zhǔn)備好含有A物質(zhì)液體的太赫茲光譜，這個(gè)光譜圖中一定表現(xiàn)出對(duì)某些特殊頻率吸收率高的特征，并把它與要檢測(cè)液體的太赫茲光譜進(jìn)行比對(duì)，這樣就可以非常簡(jiǎn)便地檢測(cè)出液體中是否含有A物質(zhì)。

2.在氣體檢測(cè)方面的應(yīng)用

大氣污染物目前已知約有100多種，其存在狀態(tài)主要有兩大類。一類是粉塵、煙液滴、霧、降塵、飄塵等懸浮物;一類是氣體狀態(tài)的污染物，主要包括以二氧化硫?yàn)橹鞯牧蜓趸衔?，以二氧化氮為主的氮氧化合物，以二氧化碳為主的碳氧化合物和碳?xì)浠衔?。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硫化氫、甲醛、氨氣等，在太赫茲波段有較強(qiáng)的吸收作用，具有明顯的特征吸收峰， 因此非常適合用太赫茲波進(jìn)行檢測(cè)與觀察。

例如，左圖是氨氣的太赫茲吸收率光譜圖，右圖是一氧化碳的太赫茲吸收率光譜圖。

人們就是利用太赫茲光譜，可以檢測(cè)出不同種類的污染物。

這類檢測(cè)設(shè)備也可用于檢測(cè)汽車尾氣的排放物，煙囪的排放物，等等。

3.用于生物的活體檢測(cè)

水、肌肉、脂肪，對(duì)太赫茲波的吸收程度是不同的，利用透視成像技術(shù)可以圖像顯示動(dòng)物組織中脂肪和肌肉的分布。

能診斷人體燒傷部位的損傷程度。

能對(duì)植物，用太赫茲波掃描，可以檢測(cè)出植物的含水分布。

能清晰地分辨果殼的輪廓和隱藏在果殼中果仁的形狀。

能清楚地區(qū)分，牙齒的正常部分與損蛀部分。

4.用于液體活檢測(cè)癌細(xì)胞

癌癥的形成一般需要經(jīng)歷10-20年的時(shí)間。在細(xì)胞剛剛發(fā)生癌變但尚未形成癌灶之前，就會(huì)在體液(不僅包括血液，還有唾液、尿液、胸腹腔積液等)中出現(xiàn)一些游離的“破壞分子”，例如，循環(huán)腫瘤細(xì)胞和外泌體腫瘤細(xì)胞，用太赫茲光譜可以檢測(cè)出這些生物標(biāo)志物。以便對(duì)癌細(xì)胞早發(fā)現(xiàn)早干預(yù)。

這種方法可以在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)非常方便地跟蹤檢測(cè)，盡早預(yù)防，相比穿刺術(shù)檢測(cè)不知好到哪里去了。

5.在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

用太赫茲光譜可以研究樹(shù)木年代學(xué)、水在植物中的輸運(yùn)過(guò)程、選種等。

用太赫茲光譜可以研究氨基酸和蛋白質(zhì)等生物大分子的無(wú)標(biāo)志識(shí)別。

用太赫茲光譜做為有力工具，去研究病理學(xué)，大分子生物學(xué)，已經(jīng)引起人們的高度重視。

用太赫茲光譜做為有力工具，去研究精準(zhǔn)醫(yī)療及藥品的研制鑒定方面，也已經(jīng)引起人們的高度重視。

總之，太赫茲圖譜的應(yīng)用，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、微電子學(xué)、農(nóng)業(yè)等各行各業(yè)的應(yīng)用前景非常廣闊，這是國(guó)際上的熱門研究?jī)?nèi)容。