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

來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;另一束作為探測光(探測脈沖)，其后經(jīng)過時間延遲系統(tǒng)作用于THz探測器。泵浦脈沖入射到THz發(fā)射器產(chǎn)生THz脈沖，而后透過樣品，與經(jīng)過時延系統(tǒng)的探測脈沖匯合后通過THz探測器，最后采用鎖相放大器來探測其微弱的電場變化。通過控制時間延遲系統(tǒng)調(diào)節(jié)泵浦脈沖和探測脈沖之間的時間延遲，掃描這個時間延遲就可以獲得 THz脈沖的時域波形。該波形經(jīng)傅里葉變換之后，就可得到被測樣品的頻譜，對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

任何絕對溫度以上的物體都會發(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，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，只不過物質(zhì)自身所發(fā)射的太赫茲輻射太微弱而且看不見。

怎么才能測量并描繪出物質(zhì)的太赫茲光譜呢?

用紅外光照射物體，只能讓幾個原子活躍起來，用太赫茲光照射物體可以讓分子活躍起來。由此可知，外面照射的太赫茲光可能會和物質(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，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)對太赫茲輻射的吸收表現(xiàn)來說明。當(dāng)太赫茲輻射透過物質(zhì)時，物質(zhì)對某種頻率的輻射吸收得多，也就是在這個頻率發(fā)生共振了，外來能量共振轉(zhuǎn)化為分子內(nèi)部的能量了，在這種情況下，透過量就相對小;如果物質(zhì)對某種頻率的輻射吸收得少，則透過量就大。

于是，人們利用整個太赫茲頻段照射物質(zhì)，利用輻射的透過量，可以檢測出物質(zhì)對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，夾片上開多個小的矩形孔，用全頻段(在整個太赫茲頻段內(nèi)是均衡強度)的太赫茲光束從矩形孔中射入，在夾片的對面，細(xì)密(納米級)采樣得到透過量的數(shù)據(jù)，再把多個小孔的照射結(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)是透過量的輻射強度，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)是電場強度，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，其它的檢測方法與液體的檢測方法相同。

同樣也可以獲取氣態(tài)樣本的太赫茲光譜。

值得說明的是：

1.無論液體樣品檢測或是固態(tài)樣品檢測，都要在確定的溫度下、確定的樣品厚度下、確定的太赫茲光強度下，進行檢測，這樣的檢測結(jié)果便于對比。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。

2.如果檢測樣品的厚度不同，測出來的太赫茲光譜會相同嗎?

只要分析一下透過量光譜就會明白，當(dāng)樣本厚度不同時，透過量一定會有變化，但是，樣本物質(zhì)在特定頻率上發(fā)射共振(吸收表現(xiàn)強)是不會改變的，因為這是物質(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)是對不同頻率波的吸收率。

上面三個圖可見，某種物質(zhì)對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。

再舉一個例子，對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)是電場強度，觀察物質(zhì)的特性注意看凸起的峰值所對應(yīng)的頻率。當(dāng)然，不同的種子，會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，不同的太赫茲光譜代表了不同的物質(zhì)。

就像樂譜一樣，不同的曲子有不同的樂譜，不同的樂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，通過比對，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

在液體檢測方面的應(yīng)用。

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

2.在氣體檢測方面的應(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為主的硫氧化合物，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?。

實驗結(jié)果表明，硫化氫、甲醛、氨氣等，在太赫茲波段有較強的吸收作用，具有明顯的特征吸收峰， 因此非常適合用太赫茲波進行檢測與觀察。

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，可以檢測出不同種類的污染物。

這類檢測設(shè)備也可用于檢測汽車尾氣的排放物，煙囪的排放物，等等。

3.用于生物的活體檢測

水、肌肉、脂肪，對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。

能對植物，用太赫茲波掃描，可以檢測出植物的含水分布。

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.用于液體活檢測癌細(xì)胞

癌癥的形成一般需要經(jīng)歷10-20年的時間。在細(xì)胞剛剛發(fā)生癌變但尚未形成癌灶之前，就會在體液(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出這些生物標(biāo)志物。以便對癌細(xì)胞早發(fā)現(xiàn)早干預(yù)。

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

5.在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

用太赫茲光譜可以研究樹木年代學(xué)、水在植物中的輸運過程、選種等。

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

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，這是國際上的熱門研究內(nèi)容。