亚毫米至微米量级微粒太赫兹脉冲散射性质研究

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近年来,超快激光技术的迅速发展为太赫兹脉冲的产生提供了稳定的激发光源,随之迎来了THz辐射的产生和应用迅速发展。THz脉冲通常包含若干个周期的电磁振荡,单个脉冲的频带可以覆盖从GHz到几十个THz的范围。典型脉冲宽度在亚皮秒量级,不但可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究,而且通过取样测量技术,能够有效地防止背景辐射噪音的干扰。同时,THz辐射对于很多非极性物质,如电介质材料以及塑料、纸箱、布料等包装材料有很强的穿透能力。THz技术在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、卫星通信和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。  THz波的散射性质在THz波应用研究中占有重要的地位,它是THz波在其他方面应用研究的基础,对远距离获取有关散射体的信息有重要意义。这是因为散射波的强弱、分布以及与入射波入射角的关系等由散射体的几何形状、内部结构以及材料构成等因各种因素决定,是散射体诸多信息的载体。然而目前,对于THz波散射性质的研究理论分析比较少,数值方法的分析则更少。  时域有限差分方法(Finite-Difference-Time-Domain,FDTD)是直接从Maxwell旋度方程出发,将其转换成差分方程组,对电磁场分量在空间和时间上采用交替抽样的方式进行离散,这种方法计算格式简单,物理过程描述直观,便于处理具体复杂外形和复杂物体的电磁散射和辐射等问题。可以设置入射平面波为宽频带脉冲,其频宽度覆盖了求解的频率范围,只需要计算一次散射体对脉冲波的响应并进行傅里叶变换就可以得到散射体的宽频响应特性。这种脉冲法所获得的频率步长较小,其所需要的时间减少为原来的几十分之一到几百分之一,同时,入射脉冲是依时间顺序分步起作用的,其表达形式非常灵活,对脉冲的模拟也可以达到很高的精度。  本文选择作为表征散射体对入射波散射能力重要参数的雷达散射截面(RCS)为研究对象,应用时域有限差分法(FDTD)仿真计算了太赫兹高斯脉冲波对亚毫米至微米量级尺度的金属铜和三聚氰胺甲醛树脂微粒的电磁散射。  本文数值计算具有以下特点:  (1)为了分析散射波的中所包含的信息和获得宽频带特性,同时也便于与其他目标散射特性的比较,入射波统一设置成高斯脉冲,时域函数为Ei(t)=exp(-4π(t-t0)2/τ2),频域函数为Ei(f)=τ/2exp(-j2πft0-πf3τ2/4),式中τ为常数,决定脉冲的宽度,为了含有太赫兹频率分量信息,取值为184.75飞秒,脉冲峰值幅度为1V/m,即|Ei(f)|=1V/m。入射波沿X轴极化,沿Z轴负向入射。  (2)散射目标尺寸取为300μim至3μm,该尺寸与太赫兹波长范围3mm至30μm大致重叠。由于太赫兹带宽很大,该量级大小的微粒散射区间很大部分处在Mie散射向瑞利散射的过渡区,解析解会受到应用范围的限制。而这正是选择数值计算方法FDTD的原因所在。  (3)对散射目标的尺寸大小、材质、几何构成、几何形状(包括球体、圆柱体和圆锥体)进行分类选取和对比。得出该尺寸范围微粒的太赫兹波雷达散射截面特性。由于目标的宽频带特性中包含了大量信息,其低频区包含了目标的体积信息,谐振区包含了目标的轮廓信息,高频区包含了目标的细节信息,为该量级尺寸微粒的检测识别以及太赫兹波段屏蔽材料的选择提供了依据。
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