手性材料太赫兹时域旋光光谱研究

Measurement and analysis of optical activities for chiral materials using terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) are planned. The research objects include intrinsic chiral materials, such as the random molecular ensembles in solid phase and in solution, and extrinsic ones, such as many metamaterials without mirror reflection symmetry. The key project and expected output are as follow: (1) development of a novel THz-TDS technique for polarization selected measurement with high precision; (2) development of effective method for extracting sample's magnetoelectric coupling coefficients, including acquisition of experimental data to satisfy the finite condition and establishment of algorithm. The ultimate purpose aims at development of a practical technique to monitor and measure the dynamic molecular reactions in aqueous solution. One important and unique feature of the THz-TDS technique is direct acquisition of the phase information of the THz fields, which is a critical advantage for data extraction comparing to the measurement in optical frequencies. On the other hand, how to achieve precise phase measurements still poses a key problem and hurdle to the project, because the optical activities of chiral materials, especially for the random molecular ensembles, are mainly encoded in the phase information of fields and highly depend on the measurement precision. This is a technical problem we must to overcome.

本项目拟利用太赫兹时域光谱技术对手性材料进行旋光特性测量和分析，研究对象包括本征手性物质(如固相和溶液中的无规分子体系)和所谓的外部手性材料(如具有镜面反射不对称特征的亚波长结构材料)。主要研究内容和目标：(1)发展高精度偏振选择的太赫兹时域光谱测量技术；(2)发展样品材料磁电耦合参数的提取方法，通过测量方法的设计和实现，获取满足定解条件的测量数据，建立有效的电磁响应参数提取算法。最终目的是发展一种可以对水溶液中生物分子反应进行有效测量的技术。 太赫兹时域光谱技术可以直接通过实验测量获得太赫兹电磁场位相，相对于光频的类似测量，这对于提取电磁响应参数是一个很大的优势；另一方面，正是由于手性材料(特别是无规分子体系)的旋光响应主要编码在电磁场的位相信息中而且具有高度的敏感性，对位相测量的精度要求非常高。所以，获得精确的位相测量值是本项目的一个关键问题和难点，也是必须要解决的一个技术问题。

手性材料(双各向同性介质)的旋光电磁响应携带其结构的特定信息，在生物大分子结构分析等方面具有重要的应用价值。分子等材料的太赫兹频率响应主要来自于较大微观尺度里的振动激发，如生物分子的二级和三级结构的构型、构像及偶极矩分布等信息，以及分子内部和外部环境对结构的影响等等。本项目试图发展一种太赫兹时域旋光光谱的测量方法和数据分析方法，以实现对手性材料太赫兹旋光响应的测量和分析。项目的执行取得的重要成果有：(1)设计并搭建了一套偏振灵敏的太赫兹时域光谱仪，针对太赫兹电场信号高位相测量精度的要求，优化了传统装置中的数据采集流程，实现了电场偏振方向测量的不确定性</200的精度；(2)理论分析了双各向同性介质的本征模式及其色散关系，并推导了本征模式电场正入射时在界面的透射率及反射率，建立一套完整的利用太赫兹偏振检测系统测量和提取双各向同性介质电磁参数的方法，可以实现对双各向同性介质电磁场本构关系中3个电磁参数的完全测量。(3)对糖类多晶粉末压片样品的太赫兹旋光效应进行了测量和分析，和聚乙烯粉末压片的测量结果相比，在糖类样品中观察到非常明显的旋光信号。在提取其旋光电磁参数时我们发现，通常认为是空间各向同性的乳糖等粉末压片样品仍然残留微弱的空间各向异性，这一方面说明我们实验系统的测量灵敏度很高，但这一现象对数据分析造成了严重影响；后来我们又尝试了乳糖等水溶液样品，由于水对太赫兹信号的强吸收导致测量的动态范围过小，未能获得可以进行有效分析的测量数据。(4)利用所发展的太赫兹时域偏振光谱测量技术，测量了若干超材料体系的太赫兹频率偏振转换特性，获得了这一特性与结构的关系和相互作用机理。总体上，通过项目的执行，我们发展了一套完整的太赫兹时域旋光光谱测量技术，但对已进行的有限样品的测量结果表明：太赫兹频率的旋光效应非常微弱，很容易受到实验测量中各种噪声的干扰，需要进一步提高有效测量数据的质量。