古依相移是法国物理学家Louis Georges Gouy于1890年发现的一个物理现象,指聚焦的电磁波在经过焦点后,从焦点一端远场到另一端远场会比同频率的平面波束多增加π的相移。任何聚焦的电磁波都会涉及古依相移,横向波的古依相移特性已得到广泛研究,而纵向波的古依相移却一直未得到充分研究。纵向波具有超过衍射极限的特性,使其在高分辨率显微成像及光存储等方面具有潜在的应用价值,在这些应用中均涉及到纵向波的聚焦特性,因此研究纵向光场的古依相移至关重要。太赫兹波通常是指频率0.1 THz-10 THz(1 THz=10¹² Hz)的电磁波,在电磁波谱中的位置处于微波和红外之间,具有高穿透性、低能量、高信噪比等特性。太赫兹脉冲属于皮秒量级脉冲,脉冲振荡时间长,并且太赫兹探测方法中的相干探测既能探测到幅值信息又能得到其相位信息,因此太赫兹波是用于观察古依相移现象的良好选择。本论文采用单色超短脉冲激光激励大气的方法产生等离子体细丝,从而辐射出径向偏振的太赫兹波,然后在焦点处形成太赫兹纵向电场分量。采用电光采样方法进行探测,得出一组关于太赫兹波焦点附近区域不同位置的时域信号图,从而可直观地看出太赫兹波的相位动态变化。本论文的主要工作分为:一、详细介绍太赫兹纵向分量的古依相移研究的实验系统。本论文中利用单色场超短脉冲强激光在空气中聚焦成等离子体细丝的方法,辐射出径向偏振的太赫兹波,并利用短焦的抛物面镜将其聚焦后在焦点处得到并存的太赫兹横向电场分量和纵向电场分量。太赫兹探测方法采用的是电光采样法,此方法为相干探测法,既能得到太赫兹波的幅值信息又能得到相位信息。虽然论文中使用的太赫兹产生方法与探测方法在本领域已十分成熟,但是每个光学元件的参数选择都会影响最终实验结果的优劣,因此着重介绍了斩波器的频率、聚焦泵浦光的凸透镜焦距、特氟龙板、离轴抛物面镜的有效焦距、电光晶体的晶向及厚度这几个重要元件的选择。二、太赫兹横向电场分量与纵向电场分量时域信号的采集优化与分析。因为用双色超短强激光激励大气形成等离子体细丝得到的太赫兹信号强度较大,但其偏振状态不符合本论文的实验要求,为便于系统的搭建与优化,本论文从比较简单的双色场着手初步完成实验系统,然后逐步优化,最终得到理想的由单色超短强激光激励大气产生的径向偏振的太赫兹波。利用电光采样系统实现太赫兹探测,将探测晶体在焦点前后±4 mm范围内移动,每1 mm测量一次太赫兹时域信号,分别测量太赫兹横向电场分量和纵向电场分量,得到它们在这段范围内的信号变化图。并且利用刀切法和光阑法测量了太赫兹横向电场分量与纵向电场分量的能量分布。三、理论模拟。麦克斯维方程是现代电磁学的核心理论基础,它简明扼要地概括了宏观电磁现象总的规律。本论文从麦克斯维方程着手,推导一个径向偏振的单周期电磁波脉冲聚焦后在自由空间的传播方程,得到其焦点附近横向电场分量与纵向电场分量的表达式。然后按照实验中采集数据的方法,画出太赫兹横向分量与纵向分量在焦点附近±4 mm的范围内的时域信号变化图。理论模拟的结果与实验现象相吻合。四、分析实验数据图总结规律归纳结论。太赫兹纵向分量的强度要弱很多,约为太赫兹横向分量的十分之一。太赫兹横向分量与纵向分量从焦点一侧远场向另一侧远场传播时均产生了古依相移,相移值都为π,只是时域波形的变化不同。此规律可推广到其它电磁波段。综上所述,本文从实验上和理论上系统地研究分析了太赫兹横向电场分量和纵向电场分量的古依相移,首次实现在焦点附近±4 mm的长距离范围内对太赫兹纵向分量波形演变的完整探测。纵向分量的古依相移对许多物理应用方面,尤其是粒子加速领域、显微镜成像领域,有着极大的促进作用。