静态傅里叶变换型太赫兹谱探测技术研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所) | 被引量 : 1次 | 上传用户:BBP
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太赫兹波是电磁波谱的重要组成部分,处于经典力学向量子力学,宏观电子学向微光子学过度的重要区域,有区别于传统光学与传统微波的独特魅力,能有效反应分子的转动、振动能级,晶格、等离激元的振动等分子动力学特征,对分子团、晶格等微观结构具有指纹效应,因此太赫兹谱表征在原子物理、分子化学、医学影像、天文学、地面雷达探测等领域都有重要的研究价值。远距离目标的太赫兹谱探测属于弱信号的实时探测范畴。目前用于物质太赫兹谱测量的方法或设备有:太赫兹时域光谱技术,红外傅里叶光谱仪,这两种方法适合实验室对固定样片的测量研究,但不适应于室外远距离目标的太赫兹谱实时测量。根据工程项目的实际需要,本文从傅里叶光谱仪的设计理念出发,深入研究了红外傅里叶光谱仪的工作方式和数据处理方法,并将其作用本质加以迁移,提出了静态傅里叶型太赫兹谱探测技术方案。以静态傅里叶型太赫兹谱探测技术方案为中心,文章详细阐释了实现方案测量的两项关键技术:立体相位光栅的参数设计方法和基于子孔径分割方案的多干涉点同步获取方法。围绕立体相位光栅和所述谱探测方案的验证,文章进行了三方面的准备工作:太赫兹波大气传输衰减损耗的建模计算、模拟仿真及实验测量;太赫兹透镜的设计和太赫兹激光束准直方案的建模计算及实验测量;典型材料的太赫兹波透、反射特性的建模及实验测量。本文的主要工作和取得的成果如下所述。在太赫兹波大气传输衰减损耗计算方面,借助哈佛大学天体物理学中心提供的HITRAN数据库,文章用逐线法对大气分子的线性吸收进行了建模,模拟了0.1T-1THz频段的大气吸收衰减特性曲线,并通过红外傅里叶光谱仪和测量太赫兹波在不同传输远距离的能量损耗两种方案,对模拟获得的大气吸收衰减特性曲线进行了比对,确定了0.3T-0.7THz范围的四个特征吸收峰分别为:0.38THz、0.44THz、0.55THz、0.61THz,其中0.55T为水汽的最强吸收峰,吸收率接近100%。在太赫兹激光光束准直理论计算方面,分别用经典电磁波理论和ABCD法则理论,从波动高斯波束出发,讨论了太赫兹高斯波数分别经过正、负透镜之后的传输规律,并采用实验进行了有效验证。结果发现:正透镜使太赫兹高斯光束发生会聚,其像距小于焦距;负透镜可以使太赫兹高斯光束发散、会聚、准直,太赫兹高斯光束经过负透镜的传输形式取决于负透镜的参数;当负透镜的焦距与高斯波数的球面半径相匹配时,可以将太赫兹高斯波数转换成平行光束。在典型材料的太赫兹波透、反射率特性研究方面,分别研究了不同粗糙度金属铝、石墨、高纯度单晶硅、HDPE(高密度聚乙烯)样片的透、反射率特性,研究发现金属铝是制作金属反射镜的良好材料,硅片是在制作太赫兹半反半透镜的理想材料,而HDPE是制作太赫兹透镜的理想材料。在太赫兹立体相位光栅的研究方面,通过深入理解红外傅里叶光谱仪的工作机理、工作方式和数据处理方法,将设计理念进行有效迁移,对了立体相位光栅的两个有重要参数——元胞数目和槽深进行了计算,并建立了立体相位光栅的夫琅禾费衍射场数学模型,模拟了光栅各参数对衍射场分布的影响,最终确定满足325GHz-360GHz、485GHz-520GHz波段满足分辨率为??)82(0.166cm1-的一维光栅设计参数。在多干涉点的同时测量方面,文章提出了“透镜成像理论”法,“远心光路”法,和子孔径分割法三种方案,通过对比,选取了子孔径分割技术与傅里叶变换技术相结合的谱获取方式。最终通过实验,测量了光栅的衍射效率和光源的频谱,测量结果和实际值相吻合。
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