[发明专利]一种危险气体高灵敏度太赫兹谱检测装置及方法

说明书

本发明公开了一种危险气体高灵敏度太赫兹谱检测装置及方法。该装置主要由充有危险气体的人工表面等离子体波导和透射式太赫兹时域谱装置构成。甲烷、乙烷以及苯类挥发物等危险气体在太赫兹波段具有独特的指纹吸收谱，该装置利用人工表面等离子体波导对太赫兹波的局域增强作用，有效提高危险气体太赫兹吸收谱的检测灵敏度，同时具有检测时间短、可在室温下工作等特点，可广泛应用于危化品生产、应用、输送、装卸和储藏保管过程对特定危险气体的监测及预警。

技术领域

本发明属于太赫兹波技术应用领域，特别涉及利用太赫兹波对气体的透射特性进行不同物质特征分析检测。

背景技术

太赫兹波(terahertz wave)是指频率为0.1～10.0THz(1THz＝1012Hz)的电磁波，此波段下临微波波段上临红外波段，具有其二者的优点，空间分辨率比微波更好，穿透性也比红外线更强。太赫兹波有光子能量低的特点(1THz约为4.1meV)，不会产生电离效应破坏有机体和生物组织。物质本身的太赫兹谱具有丰富的信息，由于分子间或分子内部的氢键、范德华力以及偶极子转动等化学分子的振动和转动能级对应太赫兹频段，尤其是很多有机分子能级位于该波段，使得其分子在太赫兹波段具有独特指纹(吸收)谱。对甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等烷烃类危险气体的THz吸收谱的相关研究证明这些危险气体在THz波段有明显的指纹(吸收)谱，对定性和定量研究相关技术奠定了坚实的基础。

目前可用于气体危化品物质结构分析方法气相色谱-质谱联用、中子活化探测法、核磁共振法、等离子谱检测法等，其中光谱法的应用最为广泛，常见的光谱法有X射线谱、拉曼光谱法、红外光谱法、紫外光谱法和太赫兹波谱法等。气相色谱-质谱联用具有精度高的特点，但是检测时间长，仪器和耗材非常昂贵。中子活化是通过γ射线照射待测物产生化学反应来检测的，精度高、稳定性好，但其设备结构复杂且具有一定的放射性，不适合现场检测。核磁共振法是通过被测物中氢核的共振特性反演化学品的种类和浓度，但检测时间也较长。等离子谱检测法是通过检测由离子跃迁产生的特定波长的物质识别方法，虽然其识别能力强，但易受被测物纯度影响。光谱法具有简单、准确、快速的特点，可实现在线快速检测，但仍存在一些缺点，红外光谱分析法通过被测物的光谱吸收特性分析物质的成分和含量，但不够稳定。其中FTIR识别技术具备多组分同时检出的能力，但受样品色散作用和热辐射影响，且红外谱区干扰物多，定量测量难度高。紫外谱的电离作用较强，应用受到限制。

表面等离子体在光波段受到了非常广泛的研究，其在生物传感、辐射波导、光学天线、超分辨率成像、光学超材料等方面具有巨大的应用前景与价值。然而在光学能直接支持表面等离子体波的金属材料在太赫兹波段的相对介电常数趋向于负无穷大，导致光波段中的表面等离子体应用不能方便的推广到该波段。研究表明已在金属表面加工一维槽阵列或二维孔阵列的结构来支持人工表面等离子体激元(SSPPs)，是光波段中表面等离子体激元在微波和太赫兹波段的推广，本质上是一种被金属表面周期性凹槽或者孔约束和传播的表面电磁模式。这些亚波长的周期性结构对太赫兹具有很强的约束能力，为太赫兹波与物质的相互作用增强提供了可能性，特别是为研制相关太赫兹传感器提供了巨大的潜力。

发明内容

本发明为克服现有危险气体检测方法的不足，提出一种危险气体高灵敏度太赫兹谱检测装置，满足高安全性、高灵敏度、检测时间短、可在室温下工作等要求。

本发明技术方案如下：

一种危险气体高灵敏度太赫兹谱检测装置，包括飞秒激光器、斩波器、分束器、光电导天线、第一抛面镜、第一聚四氟乙烯透镜、用于装待测危险气体的太赫兹人工表面等离子体波导结构、第二聚四氟乙烯透镜、第二抛面镜、延时线、第一反射镜、第二反射镜、薄膜分束镜、ZnTe晶体、四分之一波片、沃拉斯顿棱镜、光电平衡探测器、锁相放大器和计算机；