衍射光多普勒频移的实验研究

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摘要： 为了证明由周期性造成的光的“负折射”现象不同于光的衍射现象，采用光学外差干涉法，对运动的平面光栅的衍射光进行多普勒频移的测量。通过对参考光引进频移的方法，让拍频值和参考光频移值对比确定衍射光所发生的多普勒频移的正负，验证了周期性的平面光栅当入射光与出射的衍射光在法线同一侧时发生的多普勒频移是正常的。说明仅由周期性造成的“负折射”现象，并不能产生反常多普勒效应；具有反常多普勒频移的周期性二维光子晶体才具有反常的等效负折射率，“左手”材料的反常性质并不仅是由于周期性造成的。

关键词： 多普勒频移； 平面光栅； 衍射光

中图分类号： TN 247文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2012.06.011

引言

1968年前苏联物理学家Veselago[1]提出具有负介电常数与负磁导率的“左手”材料是可能存在的。在“左手”材料中会有一系列奇异物理性质，其中包括折射率是负值，反常多普勒效应等等。2000年后英国物理学家Pendry在理论上仔细研究了导线阵列[2]和有缺口的环形共振器[3]，提出了“完美透镜[4]”的概念，掀起了研究“左手”材料的热潮。但同时也有很多物理学家提出反对意见，认为，“折射率是负值”所表现出来的，在折射时入射光与出射光位于界面法线同一侧的现象，只不过是材料周期性的一种表现而已，光栅的衍射就会这样。

2003年，Parazzoli C G[5]和Houck A A[6]分别证明了在远场能观察到负折射现象，且不同入射角下测量到的负折射率是一致的，符合Snell 定律。但是并没有人从实验上验证具有负折射率的材料一定具有反常多普勒效应等其它异常性质。2011年4月Chen J B等科研人员在文献[7]上发表的实验结果证明：具有负折射率的二维光子晶体材料具有反常多普勒效应，同时也完成了正折射率的材料具有正常多普勒效应的实验。这一结果部分地证明了“左手”材料的存在性，但是还没有否定光栅表现出的入射光与出射光位于界面法线同一侧的“负折射现象”与文献[7]发现的现象完全不同。需要证明光栅表现出多普勒效应是正常的，以此来进一步说明光子晶体的周期性与平面光栅等光栅的周期性并不是一回事。

现从一个最简单的平面光栅表现出的多普勒效应出发来讨论这个问题，进一步讨论“左手”材料的存在性。以薄的平面透射光栅为例采用光学差拍方法[8]研究当入射光与衍射光在光栅法线同一侧时，其衍射光的多普勒频移的正负。从而说明具有反常多普勒频移的周期性光子晶体确实与周期性的平面光栅不同，具有反常的等效负折射率，是一种“左手”材料。

1相关的计算原理

在一维情况下，多普勒频率的计算很简单。假设f′表示观察者接收到的频率，f0表示波源发出的频率，u表示波传播的速度，v表示波源和观察者的相对速度，当波源静止，观察者相对波源运动时，观察者接收到的频率为：