太赫兹波(Terahertz,THz)位于微波和红外波之间,通常主要指频率在0.1-10THz的电磁波,某些场合特指0.3-3 THz。90年代初,由于自由电子激光器和超短脉冲激光技术的发展,极大地促进了太赫兹波技术领域的革新。近年来,太赫兹波由于其独特的透视性、安全性及光谱分辨本领,为太赫兹时域光谱技术(Terahertz time-domain spectroscopy,THz-TDS)在物质检测、物质结构特性、物质定性及定量分析等方面的应用奠定了基础。研究发现,现阶段太赫兹时域光谱技术应用中,很多只注重于实验测试,或仅涉及一些浅显的理论分析,很少从微观分子尺度对物质太赫兹波谱进行详细解析,这不但严重阻碍了太赫兹时域光谱技术更深一步的应用,也阻碍了对物质在分子空间尺度及皮秒时间尺度的研究。因为,实验得到的太赫兹光谱真实地反映了物质实时的存在状况,而理论模拟不仅可以更细致的得知物质结构状态,更可以分析物质吸收峰的来源。这种重要性在医疗上尤为明显,如果知道各吸收峰的来源,便可预测细胞分子是否正常;如果不正常,可以通过预测吸收峰的来源,进而分析细胞异常原因,预防及阻止细胞进一步的病变。总的来说,采用太赫兹时域谱技术研究物质在此波段的光谱信息不仅具有重大科研价值而且对实际生活中的工业、农业、食品及健康安全具有重大意义。基于此,本论文在系统研究了一系列针对人们日常生活至关重要的生物分子、针对工业生产急需辨别的同分异构体以及对食品安全存在重大隐患的结构近似分子的太赫兹特征谱的同时,借助量子力学手段分析了这些物质的分子结构以及太赫兹特征谱的来源。基于此,本论文主要分为七大部分:第一部分(第一章和第二章)首先概述了太赫兹波特性及应用,着重介绍了太赫兹时域光谱技术及其研究现状和发展前景;然后介绍了太赫兹时域光谱系统常用的太赫兹波产生及探测方法,总结了太赫兹时域光谱技术应用过程中吸收系数及折射率计算公式,最后阐述了针对太赫兹特征吸收峰进行理论分析的主要计算方法。第二部分(第三章)采用太赫兹时域光谱系统,测试分析了对人体及医药制造至关重要的丙氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸的太赫兹特征吸收峰。这三种氨基酸中均含有氨基和羧基,并且分子结构依次随着官能团的增加变得复杂。实验测试发现,这三种氨基酸在太赫兹波段的特征吸收峰存在明显差异;经过模拟计算,并与实验测试结果进行对比,首次分析了导致这三种氨基酸太赫兹特征谱差异的原因,并运用密度泛函理论讨论归纳了它们太赫兹特征吸收峰的来源。第三部分(第四章)采用太赫兹时域光谱系统,测试分析了对人体至关重要的果糖、葡萄糖及一水葡萄糖在太赫兹波段的吸收谱。果糖和葡萄糖属于同分异构体,比较它们的太赫兹吸收峰,发现太赫兹时域光谱技术完全可以辨别这两种糖类同分异构体。对于葡萄糖和一水葡萄糖,着重研究了固相情况下生物分子与水的相互作用,发现太赫兹时域光谱技术也可以成功辨别物质及其水合物;通过密度泛函理论模拟发现,无水葡萄糖的太赫兹特征吸收峰主要源于葡萄糖分子间的相互作用,而一水葡萄糖的太赫兹特征吸收峰主要源于葡萄糖与水分子、葡萄糖与葡萄糖分子间的相互作用。第四部分(第五章)基于工业生产监控的迫切需要,首次测试研究了邻苯二酚、间苯二酚及对苯二酚在太赫兹波段的光谱信息。实验结果表明,这三种同分异构体的太赫兹特征吸收峰存在明显差异;由于这三种物质含有相同元素,故其太赫兹特征谱的差异来源于分子结构和分子间相互作用;固态密度泛函模拟发现,邻苯二酚及间苯二酚的吸收峰来源于分子间相互作用。研究对比了邻苯二酚的太赫兹吸收谱与中红外吸收谱,发现其太赫兹特征谱主要源于范德华力及氢键,而中红外谱源于分子面内及面外振动。此外,本文还测试研究了2-吡啶甲酸,3-吡啶甲酸和4-吡啶甲酸三种同分异构体。第五部分(第六章)基于食品安全考虑,测试分析了固/液相苯甲酸及苯甲酸钠的太赫兹特征吸收谱,发现苯甲酸和苯甲酸钠的固/液相吸收谱完全不同。量化模拟发现,苯甲酸与苯甲酸钠二者吸收谱存在差异的根本原因在于这两种物质分子间不同的相互作用,氢原子被钠原子取代后分子间排列及相互作用发生了重大改变,苯甲酸分子间以双氢键联接,而苯甲酸钠分子间主要是范德华力。第六部分(第七章)基于离子液体在电池储能方面的应用,采用红外泵浦探测技术首次研究了室温离子液体(EAF)被激发后的热能传输特性。在离子液体中红外谱的研究基础上,以ND(或NH),CH伸缩振动模式为切入点,实验测试结合动力学模型拟合,得到室温离子液体中疏水和亲水部分的热能传输上特性。研究发现,作为微观结构非均匀性的离子液体,其动力学过程也是局域性的,且热平衡时间常数受离子结构影响。第七部分(第八章)总结本文研究工作,展望了太赫兹时域光谱技术及泵浦探测技术的发展及应用。