激光等離子體產(chǎn)生太赫茲波輻射研究.pdf

1、太赫茲波通常是指頻率位于0.1THz-10THz(1THz=1012Hz)的電磁波，它在電磁波譜中位于微波和紅外之間，因此也稱為“太赫茲波間隙”。本論文以粒子模擬(particle-in-cell，PIC)和飛秒激光實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了超短激光脈沖與氣體作用產(chǎn)生的太赫茲波輻射的一些規(guī)律和物理機(jī)理。論文主要有以下三部分組成:
　　 第一部分（第二章至第三章）介紹了太赫茲波的常用探測方法和以超短激光技術(shù)得到的太赫茲波輻射源。探測方法包

2、括電光取樣、光電導(dǎo)天線、空氣探測、傅立葉變換紅外光譜以及單發(fā)探測，其中電光取樣和空氣探測是本論文中采用的主要探測方法，因此對它們的介紹比較詳細(xì)。同時討論了各個探測方法的特點(diǎn)，比較了它們的不同用處。本文還介紹了以超短激光脈沖技術(shù)得到的三種太赫茲波輻射源:光電導(dǎo)天線、光整流和激光等離子體。我們在實(shí)驗(yàn)上對這三種方法進(jìn)行了初步的研究，探測了它們的一些輻射規(guī)律。
　　 第二部分（第四章）以飛秒激光脈沖與氣體靶作用產(chǎn)生的離化電流及其太赫茲波

3、輻射為理論模型，采用半經(jīng)典解析理論結(jié)合粒子模擬，詳細(xì)研究了這種機(jī)制產(chǎn)生太赫茲波輻射的規(guī)律和特點(diǎn)。根據(jù)該理論，激光脈沖在氣體靶中傳輸時可以產(chǎn)生離化電流，分布在氣體與真空的邊界的離化電流可以向外輻射出等離子體本征頻率附近的電磁波。因此當(dāng)?shù)入x子體密度在適當(dāng)范圍內(nèi)時，離化電流可以向外輻射太赫茲波。較大的離化電流可以產(chǎn)生較強(qiáng)的太赫茲波。雙色激光脈沖（基頻光和倍頻光）和少周期激光脈沖是兩種提高離化電流的可行方案。對于雙色激光脈沖方法，太赫茲波輻射的

4、產(chǎn)生輻射效率與基頻光和倍頻光的振幅密切相關(guān)，同時與二者的比值相關(guān)。當(dāng)二者比值為～1.5時，可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換效率。太赫茲波輻射效率也是基頻光和倍頻光的相位差的周期性函數(shù)。在少周期激光脈沖方法中，我們以脈寬為三個光周期的激光脈沖為例，詳細(xì)研究了產(chǎn)生這種輻射的規(guī)律。對于這兩種情況，當(dāng)氣體靶密度分布不均勻時，對太赫茲波產(chǎn)生有一定影響，即梯度長度增長，產(chǎn)生的太赫茲波振幅降低，相應(yīng)的太赫茲波輻射脈寬邊長，同時頻譜更為光滑。模擬發(fā)現(xiàn)，以～1016W

5、/cm2的激光光強(qiáng)可以產(chǎn)生場強(qiáng)在MV/cm量級的太赫茲波脈沖。
　　 第三部分（第五章）討論了飛秒激光與空氣等離子體作用產(chǎn)生太赫茲波的實(shí)驗(yàn)研究。首先是激光與空氣等離子體作用產(chǎn)生和檢測太赫茲輻射產(chǎn)生的光學(xué)系統(tǒng)的搭建，主要以電光取樣和空氣探測為太赫茲波探測手段。在此基礎(chǔ)上研究了系統(tǒng)產(chǎn)生太赫茲波輻射的一些規(guī)律。這里實(shí)驗(yàn)主要包括三種:單色激光脈沖與空氣等離子體作用，雙色激光脈沖和空氣等離子體作用，以及二者在外加偏置電場作用產(chǎn)生太赫茲波輻