到目前为止,太赫兹频段依然是人类利用率最低的频谱资源。太赫兹波兼具电子学和光子学的特点,使其拥有一些独特的优势。近几十年来,材料科学和超快光子学的进步促进了太赫兹技术突飞猛进的发展。太赫兹时域光谱技术作为一种新兴的光谱分析方法,可以较容易地获取材料的光学参数,并且已经应用到无损检测、药品毒品分析、爆炸物识别等诸多研究领域。当前的太赫兹时域光谱技术存在以下挑战:首先,采用传统钛宝石固体激光器飞秒光源,导致系统体积庞大,维护不便、成本高昂;其次,采用空间耦合结构,导致系统光路复杂、稳定性低、移动不便,极大限制了太赫兹时域光谱技术的应用场景;第三,在太赫兹时域光谱检测方面,对于一些成分复杂、没有明显吸收峰的生物样本,难以获得良好的分类效果。针对上述的技术挑战,论文对应用于太赫兹时域光谱系统的新型光纤飞秒光源、光纤耦合太赫兹光谱系统以及基于模式识别的太赫兹时域光谱分析方法三个方面进行了研究。主要创新成果如下:1.针对传统钛宝石激光器光源体积庞大、结构复杂、维护不便,导致太赫兹时域光谱系统难以小型化这一问题,论文研制了小型、高性能的飞秒光纤激光器,用以实现系统光源的小型化。论文首先研制了基于全保偏色散管理腔的非线性放大环镜(Nonlinear amplifier loop mirror,NALM)的被动锁模掺铒光纤激光器,该激光器具有较高的稳定性,可以实现自启动运转,输出脉冲宽度为500fs,脉冲能量达到0.8nJ。通过预啁啾放大压缩,该激光器的脉冲宽度可以进一步被压缩至小于100fs,平均输出功率提高到120mW。该激光器的性能指标可以满足太赫兹时域系统设计的一般要求。其次,基于上述“8”字腔激光器,研制了更高输出脉冲能量以及更高稳定性的飞秒光纤激光器。实现了输出脉冲能量为4nJ,重复频率为1.96MHz,脉冲宽度为660fs的掺铒飞秒光纤激光器。在10小时连续锁模运转情况下,激光器输出功率的RMS误差为0.1 7%,具有良好的输出功率稳定性。实现的激光器脉冲能量远高于同类型激光器。此类激光器在光整流太赫兹时域系统中具有较高应用潜力。第三,为了提高“8”字腔锁模激光器的重复频率,本文对“9”字腔的NALM激光器进行了研究。实现了“9”字腔激光器的稳定自启动锁模。搭建完成的激光器输出功率为2.3mW,重复频率为40MHz,去啁啾后输出脉冲的脉宽为120fs。2.在太赫兹时域光谱系统小型化方面,论文研制了采用光纤飞秒光源的光纤耦合式太赫兹时域光谱测量系统,并且开发了系统相关的自动控制和数据采集分析程序。经过实验测试,研制的太赫兹时域光谱系统尺寸为48cm×45cm×15cm,峰值动态范围为60dB,时域信噪比为493,探测带宽为2.5THz,系统重复性良好。该系统为今后小型便携式太赫兹时域光谱测量系统研制提供了有益参考。3.在太赫兹时域光谱检测方面,论文提取了转基因油菜种子的太赫兹光谱信息,获得了两种转基因和一种非转基因油菜种子的太赫兹吸收谱。由于三者的太赫兹光谱相似度较高,本文结合模式识别的方法对转基因油菜种子进行了识别分析。实验结果表明Adaboost结合Naive Bayes算法分类准确率达到96.6%,高于PCA-SVM和PCA-RF算法的分类准确率。Adaboost结合Naive Bayes算法更适用于转基因油菜种植的分类识别。