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试述太赫兹波的衍射特性

2020-06-10 207 上传者：管理员

摘要：利用不同宽度的衍射屏对太赫兹波的衍射特性做了分析与探究.根据太赫兹波衍射特性,将衍射屏的宽度变化划分为三个阶段.由太赫兹时域波形的时间延迟和峰值振幅参数可直观地反映出每一阶段中太赫兹波直边衍射后光程变化和光强分布规律.本实验既可作为课堂内关于光的衍射知识的延伸,又可作为衍射理论与实际相结合的例子在物理教学中应用.

关键词：
光学
光强
光程
太赫兹波
直边衍射
衍射理论
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光的衍射是中学物理以及大学物理的必学章节.自惠更斯-菲涅尔原理问世以来,众多学者通过理论计算、计算机模拟以及实验研究等方式对可见光波段衍射现象产生条件、衍射图案以及光强的分布等方面已开展了十分全面的研究[1,2,3].但由于太赫兹波受产生源和探测器的限制,国内外学者对这一波段的研究仍不完善.与可见光不同,太赫兹波对非极性物质有较强的透过性,例如厚度为1mm的聚乙烯片(PE)在太赫兹波段透过率可达99.43%[4].本文将从太赫兹时域波形出发,由光的波粒二象性两个角度详细阐述太赫兹波的衍射特性.此研究,一方面,可以开阔学生眼界,巩固基础知识;另一方面,可以促使学生将理论与实际相结合,培养其探索意识.

1、实验原理与实验装置

光在经过孔或障碍物的边缘(衍射屏)时会产生衍射现象,其传播过程遵循惠更斯—菲涅尔原理

E=C∫K(θ)A(r)rei(kr−wt)dS(1)

其中,E为波场中Q点的复振幅;C为比例常数;K(θ)为倾斜因子;r为点Q到子波源的距离;θ为r与波阵面上面元的法线的夹角;A(r)是面元的振幅;dS为波阵面上的面元.

对于传统可见光波段的直边衍射光强分布特征为:光源不能直接透过障碍物,在障碍物后方即阴影区内光强迅速下降,在几何亮区离边缘很近的位置光强发生起伏,在离边缘较远的照明区,光遵循直线传播规律.对于太赫兹波段的直边衍射现象,考虑到太赫兹波实际的产生与传播过程中不可避免的“微扰”,太赫兹波的衍射现象有其自身的特殊性质[5,6,7].这一特殊性主要体现在:1)在实际的实验过程中,光路中各元件都会有转动、平移等微扰,这会导致太赫兹波在传播方向和空间位置上产生偏移,光斑内的光子数并非均匀分布而是服从正态分布[8,9,10];2)太赫兹波对非极性物质穿透性较强,若障碍物是极性材料时,太赫兹波可以部分穿过障碍物.所以,太赫兹波的直边衍射在遵循可见光波段的规律的基础上又包含一定的特殊性.

如图1(a)所示,本实验所用的太赫兹时域光谱仪由飞秒脉冲激光器、GaAs光电导天线及ZnTe晶体等部件组成.测试过程如下:利用衰减片将飞秒激光调节至适当功率,并将其分为两束光,一束作为泵浦光进入太赫兹波发射器激发GaAs光电导天线产生太赫兹波再通过衍射屏进入探测器,另一束作为探测光经过光程补偿区进入探测器.当太赫兹脉冲和探测激光共线经过超球透镜并聚焦到ZnTe晶体中传播时,太赫兹脉冲电场将改变ZnTe的折射率椭球,促使线偏振探测光经过ZnTe电光晶体后的偏振态发生变化,偏振态变化的探测脉冲经过四分之一波片和沃拉斯顿棱镜后,被分成偏振方向相互垂直的s偏振和p偏振,两束光通过硅材料的差分探测器后,探测到的光强差被转换为电流差,电流差正比于太赫兹脉冲电场.与其他频段的光谱类似,太赫兹时域波形的横轴代表时间,纵轴代表强度信息(通常为探测器响应的电压特性,反映了太赫兹波的幅值或强度信息).同时,利用快速傅里叶变换等多种信号处理方法对时域波形进行分析与处理可以获取到太赫兹频域谱、吸收谱和折射谱等数据.这些谱图可从多方面对测试样品进行深入分析获取其吸收系数、折射率、介电常数等参数.

图1太赫兹波衍射原理示意图.

本实验所采用的太赫兹时域光谱仪有效频率范围为:0.2～3THz,对应的波长范围为:100～1500μm.实验光斑为直径30mm的圆斑.由于太赫兹波在PE片中的透过性很大,PE片不适合作为衍射物进行实验.为了能观察到具有一定穿透性的太赫兹波的衍射现象,本实验选用弱极性物质丙烯腈(A)-丁二烯(B)-苯乙烯(S)的三元共聚物(ABS塑料)作为衍射物,衍射物由3D打印机制成.其长度c均为50mm、厚度b均为2mm,宽度a以2mm为增量,由2mm逐渐增大到30mm.衍射物在太赫兹波段的折射率约为1.56,透过率约为41.01%.

太赫兹波的直边衍射原理如图1(b)所示,S0透过衍射屏,并在衍射屏的背面(阴影区)产生新的子波源S′0继续传播.相对于光照区,S′0的光强发生部分衰减,光程显著增长.S′1在衍射屏的边缘处发生直边衍射,光强发生起伏,光程增长.在光照区内太赫兹波沿直线传播.

2、结果与讨论

为了探究不同宽度的样品对太赫兹波的衍射效果,对上述样品做太赫兹时域谱测试.其时域波形如图2所示.

图2不同宽度样品的太赫兹时域波形

时域波形中纵轴是探测器接收到的太赫兹波信号转化成电信号的强度,横轴即为探测脉冲和太赫兹脉冲之间的时间延迟.由图2各个时域波形可看出,太赫兹波在穿过衍射屏后的时域波形呈现出双峰的效果.其中峰1位置出现在2.6ps左右,与空气参考的峰值位置相近,它是太赫兹波由衍射区的子波源S′1以及光照区两个区域的光子数量共同决定;峰2位置出现在6.4ps左右,它主要取决于阴影区的子波源S′0的光子数量,并受直边衍射区的子波源S′1影响.为了进一步探究太赫兹波经过不同宽度衍射屏直边衍射后的光程变化以及光强分布,提取时域波形内各衍射屏的峰1和峰2位置处的时间延迟以及峰值振幅,如图3和图4所示.

图3不同宽度衍射屏的时间延迟

由于实验所用光斑为30mm,光子在光斑内服从正态分布,当衍射屏较窄,宽度a<10mm时.仅有少部分光子穿过衍射屏,大部分的光子由衍射屏经光照区直接进入接收器.由于峰1主要由光照区和衍射区的光子共同决定.所以,当衍射屏较窄时,大量光子由光照区直接进入探测器,直边衍射效果不显著,峰1的时间延迟在2.6ps左右缓慢增加;峰2主要由阴影区的子波源S′0决定,并受直边衍射区的子波源S′1的影响.随着衍射屏变宽,阴影区的光子数量增多,峰2受直边衍射影响越来越小,峰2时间延迟迅速回复至6.4ps左右.

当衍射屏宽度10mm<a<24mm时,直接由光照区到达接收器的光子数量减少,阴影区的光子数量增多,直边衍射效果显著,峰1的时间延迟受光照区的光子数量和直边衍射区的光子数量共同影响而逐渐增大;峰2的时间延迟主要由阴影区的光子决定而稳定在6.4ps左右.

当衍射屏宽度24mm<a<30mm时,随着衍射屏宽度增加,阴影区逐渐扩张,光照区逐渐缩减.探测器接收到的来自阴影区的光子逐渐增多.直边衍射现象逐渐不明显,峰1的时间延迟逐渐稳定在3.2ps左右;峰2的时间延迟仍然保持在6.4ps左右.

由不同宽度衍射屏的时间延迟变化规律可以定量地反映出太赫兹波发生直边衍射时的光程变化规律.由于光强与太赫兹波峰值振幅的二次方成正比,因此,由太赫兹时域波形中的峰值振幅可以直观地观察到光强的变化规律如图4所示.

图4不同宽度衍射屏的峰值振幅

受光路元件的微扰影响,太赫兹波光斑内的光子集中在中间区域并呈正态分布.基于对上述太赫兹波的传播过程的讨论结合图4可知,当衍射屏的宽度a<10mm时,随着衍射屏宽度增加,阴影区面积逐渐增大,光照区面积逐渐缩减,经光照区直接进入探测器的光子数减少,峰1的幅值迅速下降;阴影区光子数逐渐增多,受直边衍射影响的同时伴随着衍射屏对太赫兹波的吸收,峰2的幅值缓慢上升.当衍射屏的宽度10mm<a<24mm时,光照区持续缩减,峰1的幅值降至0.001V;阴影区逐渐扩张,峰2的幅值增加至0.008V.当衍射屏的宽度24mm<a<30mm时,光照区和直边衍射区也都逐渐消失,大量光子穿过衍射屏后由阴影区进入探测器.峰1的幅值逐渐较少至0,峰2的幅值逐渐稳定至0.009V.

综上分析可知,峰1的时间延迟和峰值振幅主要由衍射区和光照区的面积共同决定,峰2的时间延迟和峰值振幅主要由阴影区决定,并受衍射区影响.随着衍射屏宽度增加,穿过衍射屏的光子数增加,光程增大,峰1的时间延迟增大,峰2的时间延迟减小;由时域波形的峰值振幅可直观地观察到随衍射屏宽度的增加,峰1的光强逐渐减小,峰2的光强逐渐增大.随着太赫兹技术应用领域的扩展,在一些基础实验中太赫兹波衍射现象对实验结果的影响较大.例如,太赫兹技术在检测岩石含油率时,岩石中的孔隙对太赫兹波的衍射效应会导致接收到的太赫兹波信号衰减.

3、结论

本实验利用不同宽度的衍射屏使太赫兹波产生直边衍射,利用太赫兹时域波形数据直观地反映出了衍射屏宽度的变化对太赫兹波传播过程的光程变化以及光强分布的影响.

太赫兹波受产生源和探测器的限制,多年来未能得到广泛的推广.本实验可将太赫兹波引入物理课堂,拓宽太赫兹波应用范围的同时丰富学生的光学知识,培养其探索意识.

参考文献：

[2]曹驰宇,王文玲,黄安平.缝宽周期性变化的光栅的衍射光强分析[J].大学物理,2019(5):57-62.

[3]陈冰心,朱浩宇,涂宏业,等.基于半波带法菲涅耳声透镜的仿真与实验研究[J].大学物理,2018,37(10):54-59.

[5]陈志峰,黎达宇,吴卓麒,等.基于偏转平移光路的激光束方位自动校准方法及系统[J].光学学报,2016(7):247-251.

詹洪磊,秦凡凯,赵昆,陈思同.太赫兹波衍射特性的研究[J].大学物理,2020,39(06):44-46+64.

基金:中国石油大学(北京)研究生教育质量与创新工程重点项目(yjs2019005);中国石油大学(北京)"本科教学工程"重点项目(55､62);北京自然科学基金(1184016)资助.