強(qiáng)激光與等離子體作用產(chǎn)生太赫茲輻射的模擬研究.pdf

1、太赫茲輻射是一種波長(zhǎng)為亞毫米的非電離電磁輻射，其在生物成像、半導(dǎo)體成像、面化學(xué)以及高能凝聚態(tài)物理的研究中有著廣泛的應(yīng)用。二維快速成像以及非均勻、非線(xiàn)性物理問(wèn)題的研究則需要峰值場(chǎng)強(qiáng)達(dá)MV/cm量級(jí)的強(qiáng)太赫茲輻射源。如今，太赫茲科學(xué)與技術(shù)已發(fā)展為科研領(lǐng)域的前沿學(xué)科，如何獲得穩(wěn)定的太赫茲輻射源已經(jīng)成為關(guān)鍵性的問(wèn)題，在近十多年以來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注，而其中最令人矚目的項(xiàng)目是開(kāi)發(fā)出MW量級(jí)強(qiáng)太赫茲輻射源。
　　隨著近些年來(lái)激光技術(shù)的發(fā)展，人

2、們已經(jīng)獲得了聚焦光強(qiáng)超過(guò)1020W/cm2的超短激光脈沖，這也使得利用該項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)新型的THz輻射源成為可能。作為一種非線(xiàn)性光波導(dǎo)，等離子體擁有極高的功率承受閾值，即使在如此強(qiáng)激光的照射下，也不會(huì)被破壞。因此，從理論上來(lái)說(shuō)，人們可以將強(qiáng)激光脈沖射入等離子體，以獲得強(qiáng)的太赫茲脈沖輻射。
　　強(qiáng)激光與等離子體的相互作用是極復(fù)雜的物理過(guò)程，需要艱深的理論處理。在本文中，我們對(duì)電磁波與靜電波之間發(fā)生的相互轉(zhuǎn)化進(jìn)行了理論分析，并編寫(xiě)了一維粒

3、子模擬(PIC)程序?qū)υ撨^(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。
　　第一章敘述太赫茲技術(shù)以及太赫茲源的研究背景、研究現(xiàn)狀及其的應(yīng)用，在本章的最后部分給出了本論文主要的研究?jī)?nèi)容。
　　第二章主要介紹激光等離子體的基本概念。首先闡述等離子體的基本概念及性質(zhì)，包括等離子頻率、雙流體描述、色散關(guān)系等等；然后介紹在等離子體中傳播的激光的波動(dòng)方程。
　　第三章我們研究了大振幅等離子體尾波場(chǎng)的激發(fā)。本章中，我們介紹了等離子體尾波場(chǎng)的基本概念并分析了該

4、激發(fā)過(guò)程的物理機(jī)制。根據(jù)計(jì)算，給出在不同條件下，幾種典型的激光尾波場(chǎng)的激發(fā)模式。
　　在第四章，研究了線(xiàn)性模式轉(zhuǎn)換的關(guān)系。當(dāng)靜電波的狄拉克函數(shù)為零時(shí)，電磁波能量大量被吸收并轉(zhuǎn)換為靜電波，激發(fā)大振幅的激光尾波場(chǎng)。推算表明電磁波-靜電波之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程是對(duì)稱(chēng)可逆的，該轉(zhuǎn)換過(guò)程被命名為線(xiàn)性模式轉(zhuǎn)換。因此人們可以通過(guò)將激光脈沖射入等離子體中激發(fā)激光尾波場(chǎng)，然后尾波場(chǎng)通過(guò)線(xiàn)性模式轉(zhuǎn)換產(chǎn)生太赫茲輻射，而這也是本文的理論基礎(chǔ)。
　　第五章，

5、主要介紹粒子模擬的基本概念和程序的設(shè)計(jì)思想。為了驗(yàn)證線(xiàn)性模式轉(zhuǎn)換理論，我們獨(dú)立編寫(xiě)了一維粒子模擬(PIC)程序?qū)す怛?qū)動(dòng)等離子體尾波場(chǎng)產(chǎn)生高能太赫茲輻射的過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過(guò)時(shí)域有限差分(FDTD)法，構(gòu)筑差分方程對(duì)粒子與電磁場(chǎng)相互作用的過(guò)程進(jìn)行了表述。
　　第六章，我們分別對(duì)磁化與非磁化條件下的等離子體在激光脈沖的照射下產(chǎn)生太赫茲輻射的物理過(guò)程進(jìn)行了理論分析和一維PIC模擬。利用線(xiàn)性模式轉(zhuǎn)化理論，繪制這兩種過(guò)程中的太赫茲發(fā)射