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《哈尔滨工业大学》 2010年
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等离子体中太赫兹波传输特性理论研究

袁承勋  
【摘要】:电磁波在等离子体中传播的基本理论框架已经被建立,并被很好的应用于微波和等离子体相互作用的模拟和实验中。与此同时,激光和等离子体相互作用的各种理论和实验也被大量报道。但是在微波和激光之间的太赫兹波(THz),由于长期以来缺少有效产生和探测手段,被称为电磁波谱的“太赫兹空白”(THz-Gap)。近年来太赫兹波源和探测技术长足发展,为研究和应用太赫兹波提供了巨大的机遇。其中太赫兹波在等离子体中传输蕴含着丰富的物理现象,有着广泛的应用前景。但是至今为止,明确针对太赫兹波和等离子体相互作用的文献资料很少,且大都是对实验数据描述和简单理论解释,缺少系统理论计算和分析。基于此,本文以太赫兹波在等离子体中传输为主题,通过建立模型,分析太赫兹波在冷等离子体、热等离子体以及微等离子体中传输特性。 针对实际应用,建立模型并总结理论计算方法,以三层等离子体结构为例,建立电磁波在等离子体中传输的实际应用模型,进行数值模拟,分析等离子体厚度和鞘层对电磁波传输的影响,讨论设计等离子体吸波体应该遵循的规律,进一步研究了太赫兹波在各种类型等离子体中的传输。 首先研究了冷等离子体中太赫兹波传输特性。利用冷等离子体模型计算太赫兹波在等离子体中的吸收,计算结果与其它研究小组的实验结果比较相符。非磁化冷等离子体与太赫兹波作用的模拟结果表明,等离子体的参数对波的传播影响很大,波频率和等离子体参数满足一定的匹配关系时,出现强吸收。同时发现太赫兹波可以穿透电子密度高达10~(22) m~(-3)的碰撞等离子体。通过数值计算太赫兹波在磁化冷等离子中的传输,表明磁化冷等离子中太赫兹波的吸收存在两种机理:碰撞吸收和电子回旋共振吸收。 其次,研究了热等离子体中太赫兹波的传输特性。通过引入热等离子体的色散关系,利用FDTD方法计算了非磁化热等离子体中的传输特性,结果表明温度因子可以引起等离子体太赫兹波性质的变化。通过对磁化热等离子体中太赫兹波吸收特性的研究,发现高温磁化等离子体中的一些新的太赫兹特性,如:零吸收和负吸收等现象。 再次,研究了微等离子体中太赫兹波传输特性。通过对微等离子体参数的分析研究发现微等离子体具有丰富的太赫兹特性。通过改进的Drude模型来描述等离子体的色散关系,并研究微等离子体的尺寸和外层介质材料对太赫兹波的调制作用。周期性微等离子体中太赫兹波传输特性的研究发现,周期性的微等离子体对入射太赫兹波产生近似周期性的调制。 综上所述,本文系统的研究太赫兹波在常见等离子体中的传输,分析等离子体参数对太赫兹波传输影响。研究结果表明太赫兹波可在高密度、高温、磁化等离子体中传输。因此,可用作高密度等离子体的诊断工具,也可作为高密度等离子体中的通信手段。同时等离子体可用作电磁器件来对太赫兹波的传输提供调制。
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