不同玉石的太赫兹光谱研究

【核心介绍】本文以太赫兹时域光谱分析技术为手段，研究了3个不同玉石样品的太赫兹波段光谱特性，在0.4～1.4THz光谱区域间得到了样品的折射率、吸收系数和介电常数。太赫兹技术具有高的时间分辨率、相干探测、低能性及相对简单的测试与数据处理方法等优点，从吸收图可以看到白玉石样品有明显的特征吸收峰；通过折射率和介电常数谱图的测定和分析，可以看出白玉石的折射率、介电常数也比白玉B货样品和玻璃制品（折射率为1.5）大，这主要是由样品中透闪石含量的不同引起的。各类玉石化学成分与结构不同，可根据其折射率、吸收系数的不同等特征加以区 　

不同玉石的太赫兹光谱研究

孟倩¹²³ 宝日玛¹²³ 杨清宁⁴ 蔡天宇¹²³ 詹洪磊¹²³赵昆^123* 钟寿仙¹

（¹油气光学探测技术北京市重点实验室 北京 102249；²全国石油和化工行业油气太赫兹波谱与光电检测重点实验室 北京 102249；³中国石油大学（北京）光传感与光探测实验室 北京 102249；⁴四川大学材料科学与工程学院材料科学系 成都 610065）

摘要 本文以太赫兹时域光谱分析技术为手段，研究了3个不同玉石样品的太赫兹波段光谱特性，在0.4～1.4THz光谱区域间得到了样品的折射率、吸收系数和介电常数。太赫兹技术具有高的时间分辨率、相干探测、低能性及相对简单的测试与数据处理方法等优点，从吸收图可以看到白玉石样品有明显的特征吸收峰；通过折射率和介电常数谱图的测定和分析，可以看出白玉石的折射率、介电常数也比白玉B货样品和玻璃制品（折射率为1.5）大，这主要是由样品中透闪石含量的不同引起的。各类玉石化学成分与结构不同，可根据其折射率、吸收系数的不同等特征加以区别。实验结果表明，THz-TDS技术有望为玉石鉴定提供一种新型的分析手段。

关键词 太赫兹；吸收系数；折射率；玉石鉴定

中图分类号 P585                                         

 

Terahertz Spectroscopy Investigations of Different Gems

Meng Qian¹²³,Baorima¹²³,Yang Qingning⁴,Cai Tianyu¹²³,Zhan Honglei¹²³,Zhao Kun¹²³*,Zhong Shouxian¹

(¹Beijing Key Laboratory of Optical Detection Technology for Oil and Gas,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;²Key Laboratory of Oil and Gas Terahertz Spectroscopy and Photoelectric Detection,China Petroleum and Chemical Industry Federation (CPCIF),Beijing 102249,China;³Key Laboratory of Optical Sensing and Detecting Technology,China University of Petroleum, Beijing 102249,China;⁴College of Materials Science and Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China)

Abstract The absorption coefficients, refractive indexes and dielectric constants at 0.4-1.4 THz of three kinds of gems have been researched by terahertz time domain spectroscopy technology (THz-TDS). Terahertz (THz) spectroscopy contains rich physical, chemical, and structural information of the materials, one unique attribute of THz is their low photon energy (4 meV at 1 THz) of the THz radiation allows propagation through samples without causing any danger. Comparison of absorption spectroscopy , it is obvious to find that the white jade has a strong absorption peak; besides its refractive index and dielectric constant are larger than the B jade and glass sample, which is caused by the different content of tremolite. It could be easily distinguished from each other by its absorption coefficients and refractive indexes depending on their chemical composition. The results indicated that THz-TDS is a potential tool to gem identification.

Key words THz; Absorption coefficient; Refractive index; Gem identification

玉石是矿物多晶集合体，品种繁多，且有自然与优化处理之别，价值差别甚大^[]。目前， 用于玉石品种鉴定的方法主要是物理方法，即硬度、密度、折射率、偏振特性、热导率测试及放大镜目测等^[]。另外，紫外、可见吸收光谱和红外光谱也被用来鉴定玉石品种^[]。刘长青等^[]利用拉曼光谱技术对同一颜色、不同成分、不同形态的合成、仿造玉石进行鉴定,  可以从结构上进行区别,  这将为全面评价各类玉石产品的质量提供必要的科学依据。魏薇等^[]曾提到使用红外光谱技术对宝玉石样品进行测试分析，有助于判定钻石类型，确定宝玉石的种属、天然与合成、优化处理、仿制品等重要信息，对补充完善宝玉石常规检测具有重要意义。但这些方法各具特点也有其局限性。

太赫兹(Terahertz，THz)波通常是指电磁波谱上位于微波和红外线之间的电磁波辐射，这一频段的电磁波在历史上也常常被称为亚毫米波或远红外波^[]。太赫兹波段包含了丰富的光谱信息，大量的分子的转动和振动（包括集体振动）的跃迁都发生在太赫兹波段，可以根据分子在太赫兹波段的特有光谱信息识别出不同的分子^[-][][][]。并且太赫兹波的典型脉宽在亚皮秒量级，可以实现亚皮秒、飞秒时间分辨率的研究，而且通过相关测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰。因此，太赫兹技术作为一种新兴的检测珠宝结构与成分的手段，通过分析光谱的变化和相应的数据处理结果来检测珠宝样品^[2]，不仅具有安全性好、穿透力强、光谱灵敏度高特点，并且测量方法对珠宝无损伤。

本文利用太赫兹时域光谱技术，分别对3种不同的玉石样品进行了系统的观测和分析，在0.4～1.4THz 光谱区域间得到了样品的折射率、吸收系数，可根据其折射率、吸收系数等特征加以区别。实验结果初步说明，太赫兹时域光谱技术在玉石种类的鉴别方面有比较大的研究意义和实际价值。

1 实验及样品

THz-TDS 装置采用钛蓝宝石商业用激光源，激光器中心波长为800nm可调，脉冲宽度100fs，频率为80MHz。激光脉冲分为两束，一束作为泵浦光，激发GaAs光电导线产生THz脉冲；另一束作为探测光，利用晶体检波器测量THz信号。最后THz信号由斩波器控制的锁相放大器采集。测量时使THz光路处于N₂中以减少空气中水分对THz波的吸收并控制湿度小0.5％。太赫兹时域电场波形包含有太赫兹脉冲的强度、相位和时间等完整信息。为进一步减少实验误差，对每个样品重复测量3次，得到样品太赫兹时域信号的平均值。这种技术探测到的太赫兹脉冲峰值功率很高，脉宽在皮秒量级，能方便的进行时间分辨研究。

为了使较多的THz波穿玉石样品，分别挑选厚度较薄且样品端面光滑的三个样品进行测试，如图1所示。其中样品1的厚度为3.0mm，样品2的厚度为3.5mm，样品3的厚度为3.8mm。样品如图1所示，样品1为一种仿碧玉的暗绿色玻璃制品挂件，微透明，玻璃光泽，但整体上色泽较呆板、单调，不如碧玉油润、浑厚^[]，其化学成分与熔融玻璃的相近。样品2有少量白玉的成分存在，并且该样品中有大量环氧树脂存在，还含有微量元素Cr³⁺与Fe²⁺，应为加入的绿色致色元素，是经过人工后期处理的白玉B货样品。样品3主要成分主要由透闪石微粒矿物集合体组成，质地细腻，结晶度好，主要结构为毛毡状变晶结构^[]。

    

图1 样品实物图

2 结果与讨论

 

图 2 样品的时域图

图2 给出了参考信号和玉石样品信号的时域波形，可以看出，太赫兹脉冲穿过玉石样品时产生了时间延迟和幅度衰减。由于太赫兹波在不同玉石样品中的折射率不同，导致了太赫兹波在玉石样品中以不同速度传播，引起了时间的延迟；振幅的衰减是由于太赫兹波的能量在不同玉石样品中的损耗所致。这里的衰减实际上包括了玉石样品内部的吸收、散射以及由表面引起的反射等造成的太赫兹电磁波的损失。

 

图3 样品的频域图

对样品和参考的时域波形进行快速傅里叶变换得到玉石样品的频域谱图（图 3），从图中可以判断出太赫兹辐射主要集中在0.4～1.4THz频率区域内，样品对THz波的吸收使得玉石样品的频谱特征曲线宽度相比参考频谱缩小，3个玉石样品对应不同的频谱特征曲线，可进一步表征不同玉石样品的折射率、吸收系数及介电常数等物理信息。

 

图4(a)  样品的吸收谱

 

 

图4(b)  样品的折射率谱

 

图4(c)   样品的介电谱图

在样品的时域谱基础上，利用THz光学参数的物理模型计算出了样品的吸收系数、折射率和介电常数，并结合实物图片进行分析。如图4(a)所示，随频率的增加，样品在相对低频处的吸收率呈增加趋势，在高频出呈缓慢下降趋势；相比较而言，样品2的变化趋势最为缓慢，而样品3在0.65THz左右有较为明显的特征吸收峰，并且每个样品在相对高频和低频的吸收量不同。而样品吸收系数的差别是由样品的组成不同造成的，因为样品3白玉中透闪石含量高，晶形完好，其在0.65 THz处的吸收峰，主要是由透闪石引起的。相应的在折射率谱图中（图4b），样品3较样品1和样品2的折射率大，样品之间折射率的差别则是由样品中组分的含量、种类不同造成的。从介电谱图（图4c）中，可以看出，样品3 的介电常数实部明显大于样品1和样品2，这与样品中主要组成的颗粒形貌、玉石的结晶程度和粒度的大小是有关联的，样品3中透闪石的颗粒较小，粒度比较均匀，当颗粒尺寸越小时，界面极化效应就越显著，从而极大地提高了介电性能介电常数也就越大。同样，样品组成的结晶度不一样，其介电常数也是不同的，结晶度越好，介电常数越大^[]。实验结果初步说明用THz波段的吸收系数和折射率来鉴别真假珠宝是可行的，由此可见，THz-TDS技术在玉石鉴别领域有很大的潜力，具有很高的实际价值。

3 结论

本文利用THz时域光谱技术检测了不同种类玉石，得出样品的光学性能和光谱特性，可以看出彩色玻璃制品与白玉石宝石学特征差异较大。在0.4～1.4THz波段，白玉石有明显的特征吸收峰，而且白玉石的折射率、介电常数也比玻璃制品和白玉B货样品大，这与样品中各组分的含量、种类不同是密不可分的，也与样品结晶程度、粒度变化因素有关。实验结果初步说明用THz波段的吸收系数和折射率鉴别玉石的真假是可行的，为玉石的无损鉴别提供一种有效的分析手段。

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