楊成全，孟田華，盧玉和

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009）

云岡石窟石質(zhì)、降塵樣品的太赫茲光譜分析

楊成全，孟田華，盧玉和

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009）

利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)，分析了由云岡石窟所采集的石柱、降塵和新鮮巖石3種樣品在THz波段的光譜特征。通過(guò)比較分析得出，3種樣品在整個(gè)波段，均無(wú)明顯的吸收峰，低頻區(qū)吸收都很弱，高頻區(qū)吸收系數(shù)以接近指數(shù)函數(shù)趨勢(shì)增長(zhǎng)，特別是降塵的吸收最大，新鮮巖石的次之，石柱的吸收最弱。在整個(gè)波段，石柱的折射率很穩(wěn)定，基本不發(fā)生變化，其余兩個(gè)樣品的折射率則發(fā)生波動(dòng)。

云岡石窟；太赫茲波；吸收峰

云岡石窟與敦煌莫高窟、洛陽(yáng)龍門石窟和麥積山石窟并稱為“中國(guó)四大石窟”。近年來(lái)，許多研究小組采用不同的技術(shù)方法對(duì)云岡石窟進(jìn)行了研究，諸如微測(cè)深儀深度測(cè)試法、火焰原子吸收光譜法，X射線熒光分析法和電感耦合等離子體發(fā)射光譜法等［1-4］。本文利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)這一新的有效檢測(cè)手段［5-9］對(duì)由云岡石窟采集的3個(gè)不同樣品在0.2THz～2.5THz波段的光譜進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品及制備

3個(gè)樣品分別是：（1）云岡石窟第9窟前石柱上采集的小顆粒，標(biāo)記為shi zhu；（2）第4窟石像臉部表面收集的降塵，標(biāo)記為jiang chen；（3）石窟附近開(kāi)采出來(lái)新鮮巖石采集的小顆粒，標(biāo)記為new stone。實(shí)驗(yàn)中，先將樣品按標(biāo)準(zhǔn)研磨，接著用聚乙烯粉末以1：2的比例均勻混合，最后用紅外壓片機(jī)以5t的壓力制成厚度分別如表1所列、直徑為1.3cm的圓形薄片。用聚乙稀進(jìn)行摻雜的原因是，一方面聚乙稀起粘合和稀釋作用，另一方面在太赫茲波段聚乙稀透射率為80％以上而且無(wú)吸收峰，這樣對(duì)樣品所獲得的譜線不產(chǎn)生任何影響。

表1 各樣品在0.85THz處的光學(xué)常數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置及數(shù)據(jù)處理

使用首都師范大學(xué)的國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——太赫茲實(shí)驗(yàn)室的太赫茲時(shí)域光譜透射系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量［10］，實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 THz-TDS實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

數(shù)據(jù)處理是采用T.D.Domey等人提出的太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)提取材料光學(xué)常數(shù)的模型［11］，得到樣品的吸收譜和折射譜。

2 結(jié)果和討論

圖2中大圖是由THz-TDS測(cè)的太赫茲時(shí)域參考信號(hào)（reference）和透過(guò)3種樣品后的太赫茲時(shí)域譜波形。比較可得透過(guò)樣品的太赫茲時(shí)域波形相對(duì)于參考信號(hào)的波形，振幅出現(xiàn)了一定程度的衰減和振蕩，主要是由于樣品表面的多次反射即法布里-珀羅干涉效應(yīng)造成的。利用Origin軟件對(duì)時(shí)域波形進(jìn)行快速傅立葉變換和必要的數(shù)學(xué)處理，便可得到參考信號(hào)和樣品的頻域譜如圖2右上部分的小圖所示。

頻域譜顯示出樣品信號(hào)相對(duì)于參考信號(hào)明顯不同。這是由于樣品中不同的波速引起太赫茲脈沖相對(duì)于空載時(shí)的時(shí)間延遲不同，樣品對(duì)太赫茲波的反射和吸收使脈沖強(qiáng)度降低，而樣品的色散則展寬了脈沖。頻域譜最大峰值對(duì)應(yīng)0.85THz，也即此處THz光強(qiáng)最大，所以我們選取這一頻率，分別從圖3和圖4中提取出各樣品對(duì)太赫茲輻射的吸收系數(shù)和折射率數(shù)據(jù)列入表1中。從圖中還可得出，在整個(gè)波段，石柱的強(qiáng)度最大、有效譜寬也最長(zhǎng)，新鮮巖石的次之，而降塵的強(qiáng)度最小、有效譜寬也最短。這些都說(shuō)明光透過(guò)降塵時(shí)很快就被衰減掉了。

圖2 時(shí)域譜與頻域譜

利用T.D.Domey等人提出的太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)提取材料光學(xué)常數(shù)模型中的相關(guān)公式并使用Matlab軟件編程，可以得到這3種樣品的吸收系數(shù)譜（如圖3）和折射率譜（圖4）。由吸收系數(shù)曲線可以看出，在低頻區(qū)，3種樣品的吸收曲線均呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)，吸收都很弱；在高頻區(qū)則明顯區(qū)分開(kāi)來(lái)，尤其是降塵的吸收明顯地以接近指數(shù)函數(shù)的趨勢(shì)增大。在整個(gè)波段，3個(gè)樣品均無(wú)明顯吸收峰，這是由光散射或樣品寬而無(wú)結(jié)構(gòu)引起的。

由折射率曲線（圖4）可以看出這3種樣品的折射率存在差異。整個(gè)波段，石柱的折射率為1.51基本沒(méi)發(fā)生變化。但是在低頻區(qū)，降塵的折射率略大于新鮮巖石的，高頻區(qū)新鮮巖石大些。再補(bǔ)充一點(diǎn)，折射率的差異不是由樣品厚度的不同引起的［11］。因此，這種差異可能是樣品中成分的不同所造成的，在分析中可以作為一個(gè)有效的參考信息。

由于太赫茲波對(duì)分子結(jié)構(gòu)的微弱變化非常敏感，所以各個(gè)不同樣品在太赫茲波段的吸收譜和折射譜存在明顯的差異，這樣可以將不同樣品區(qū)分開(kāi)來(lái)，并可以進(jìn)一步分析它們的年代、成分及進(jìn)行風(fēng)化程度的鑒別。這些表明太赫茲波在石窟研究領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。

圖3 吸收譜

圖4 折射譜

3 結(jié)論和展望

3種樣品在0.20THz～2.5THz之間，均無(wú)明顯吸收峰，在低頻區(qū)吸收都很弱，高頻區(qū)表現(xiàn)為：降塵的吸收最大，新鮮巖石的次之，石柱的吸收最弱。在整個(gè)波段，石柱的折射率很穩(wěn)定基本不發(fā)生變化，其余兩個(gè)樣品的折射率則發(fā)生波動(dòng)。據(jù)此，我們可以將這3種樣品區(qū)分鑒別開(kāi)來(lái)。

雖然根據(jù)目前的結(jié)果，還不能對(duì)不同石窟樣品的年代、成分及風(fēng)化情況做定量分析，但是通過(guò)比較太赫茲波段的吸收譜線和折射率曲線的差異，不但可以將不同石窟樣品區(qū)分開(kāi)來(lái)，而且還能為研究石窟的其他學(xué)者提供此波段的光學(xué)常數(shù)。在這方面還有大量的工作需要做，也說(shuō)明太赫茲波在石窟研究方面還有廣闊的應(yīng)用前景。

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〔編輯 李?！?/p>

Research on Terahertz Spectrum of the YunGang Grotto Samples

YANG Cheng－quan，MENG Tian－h(huán)ua，LU Yu－h(huán)e
（School of Physics and Electronics Science，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009）

In this paper，the terahertz time domain spectroscopy technology is used to analyse the terahertz spectral characteristics of the World Cultural Heritages of Yungang Grottoes samples.The three samples are column，dust and fresh rock separately.It is found that the three samples have not distinct absorption peak in the whole THz wave band.Experimental results also indicate that all of the samples have weak absorption in low frequency region，but the absorption coefficient increased quickly by exponential function as the frequency increasing.This character is more obvious especially for the absorption spectrum of the dust，followed by fresh rock；column＇s absorption is the weakest.In the whole THz wave band，the refraction coefficient of column is very stable，while the other two samples are fluctuated.

Yungang Grottoes；Terahertz wave；absorption peak

O433.2

A

1674－0874（2011）02－0017－03

2011－03－01

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題［2009BAK53B01］；山西省自然科學(xué)基金課題［20051030］；山西省高等學(xué)校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)基地政府研究項(xiàng)目［2010317］；山西大同大學(xué)科學(xué)研究資助項(xiàng)目［2010Q1］

楊成全（1955－），男，山西忻州人，教授，研究方向：凝聚態(tài)物理.