甲醇气体的太赫兹时域波谱研究霄炜+赵红卫+朱亦鸣摘要：为了探究甲醇气体在太赫兹波段的共振特性，利用太赫兹时域光谱对甲醇气体进行了测量，得到了其时域波形，观测到了自由感应衰变这一现象。根据朗博比尔定律对气体吸收谱的计算得到转动谱线间隔，并对自由感应衰变这一现象进行了深入的解释，这些结果对于太赫兹波段的气体检测、分析和识别具有参考价值。关键词：自由感应衰变；太赫兹时域光谱；甲醇：O433.4文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.014：1005-5630（2016）05-0450-06引言甲醇气体的频谱中蕴含着大量的信息，其中涉及复杂的分子物理、量子力学等问题[1-2]。虽然甲醇分子只有6个原子构成，是一种最简单的能够受阻内旋的稍不对称分子之一，但是它的能级结构极为复杂。因此，甲醇在红外范围有丰富的光泵浦转动谱线[3]。转动谱线在物理学中十分重要，太赫兹波与分子发生共振所产生的独特谱线可作为指纹谱并用于物质识别和检测。在太空物质探测，工业生产等领域甲醇气体的检测和标定非常重要，通过太赫兹波段甲醇气体的独特指纹谱可以将它标定为探针，继而研究其他极性气体在该波段的光学特性。电磁波在共振媒体中的传播激发分子从基态跃迁到激发态，这种现象可利用光谱学的方法来检测，如转动光谱法或拉曼光谱法。此外，纯转动能级大多在太赫兹区域较为活跃，近年来最新技术的发展，为超快相干脉冲的产生和在远红外区域检测超短和相干的电磁脉冲的技术开辟了新的途径，使得气体在远红外辐射或太赫兹辐射区域可以被感应和记录[4-6]。许多分子的转动振动模式落在太赫兹波段，该波段独特的光谱特征，使太赫兹时域波谱分析技术成为非常有效的气体检测和识别手段。自由感应衰变（FID）就是出现在时域谱中的一种相干瞬时现象[7-8]，其特点是脉冲激励之后出现快速振荡和相应的呼应，这种相呼应的现象被Harde等称作相称回波[9]。FID是一个反应样品吸收和色散特性的时域表示，可以用于标定分子的指纹[10]。许多气态分子尤其是极性分子在太赫兹波段都有类似的FID特性，如CO，HCl，NH3，CH3OH等。在甲醇气体的太赫兹波谱研究中，Yu等对甲醇气体的自由感应衰变现象进行了讨论[11]。目前，国内外对甲醇气体太赫兹波段时域特征的研究较多，而对频域信息的研究较少，对在太赫兹波段甲醇气体浓度的变化情况没有相关报道。本文在前人的基础上利用太赫兹快速扫描时域光谱系统对甲醇气体进行了检测，并通过朗博比尔定律计算了其吸收谱线，得出了不同浓度的甲醇气体在0.2～1.6THz的吸收特性，经过数据拟合分析对自由感应衰变以及色散、离心畸变等现象进行了解释。1实验原理实验装置如图1所示，实验中使用的光源是光纤式钛宝石飞秒激光器，其产生的飞秒激光中心波长为780nm，重复频率为80MHz，脉冲宽度为80fs，输出功率为160mW。激光从激光器发出后，经过分束片分为泵浦光和探测光两路。泵浦光分别经过慢速扫描直线电机、快速扫描直线电机、衰减片、反射镜后到达太赫兹源及光电导天线，并在天线前由透镜将能量聚焦到光电导天线的间隙上，激发太赫兹波，太赫兹波经过四个抛物面镜在样品处聚焦并最终到达太赫兹探测器上；探测光经过衰减片及反射镜到达太赫兹探测器，当探测光与泵浦光到达太赫兹探测器的光程相等时可以探测到太赫兹电场。仪器的频谱分辨率为9GHz。在太赫兹光路中，测试样品为一个密封的不锈钢气体样品管，两侧的窗片是2mm厚的聚苯乙烯材料。通常，在激光传播以及太赫兹波传播过程中会有不可避免的扰动造成仪器误差，如水蒸气这种分子在太赫兹波段有强烈的吸收峰，会对太赫兹波形产生扰动。所以在实验过程中需不断地向实验环境中充入压缩干燥空气，将空气湿度控制在3%以下，尽量消除水蒸气以及其他环境因素造成的测量误差。实验过程中，空载的气体样品管经真空分子泵抽至10Pa左右的中真空状态，测试此时的空样品管并作为参考信号。150μL液体甲醇样品从气管上橡胶活塞进样口注入，在相对压强的作用下甲醇分子气化充满整个气室。2实验结果与讨论图2为空载以及加载甲醇气体样品时测得的太赫兹时域波形和频谱，在图2（a）中，总扫描时间是110ps，主脉冲出现在34ps处...