飞秒等离子体间非线性作用对超高频电磁波影响的研究

主要研究了飞秒等离子间相互的非线性作用对超高频电磁波——太赫兹波产生的影响。国内外许多研究机构已经证实,在太赫兹波产生的过程中,等离子体间的相互非线性作用会对太赫兹波产生影响。笔者结合理论分析设计并搭建一种了双束等离子体重合产生太赫兹波的测试系统,研究发现等离子体间相互非线性作用时,会产生三阶非线性光学效应,等离子体的折射率和相位发生变化形成非均匀场导致了太赫兹波辐射能量的降低,并在实验测量研究中发现随着等离子体波长双束等离子波长的增加,等离子体密度增加,导致太赫兹波的辐射能量的降低现象更加明显,另外,等离子体功率越大,太赫兹波吸收越大。同时,研究发现等离子体周围惰性气体分子质量影响太赫兹降低程度,气体分子质量决定着飞秒激光聚焦空气电离出的等离子体所形成的电场强度,分子质量越高,所形成的电场强度越强,双束等离子体重合时对太赫兹波降低的辐值越大。这些为研究等离子体间非线性作用对太赫兹波的影响提供了更加全面的理论支撑,有助于推动太赫兹波技术在军事及民用领域的快速发展。     

多色飞秒激光场产生高能量超宽带太赫兹辐射的研究进展

飞秒激光聚焦在空气中能够产生高能量超宽带的太赫兹辐射，这种强场太赫兹辐射在物态操控、太赫兹通信、生物医学成像等领域具有重要的应用价值。采用双色乃至多色激光场是提高气体等离子体中太赫兹辐射强度的关键路径之一。本文回顾了多色场驱动空气等离子体太赫兹辐射源的发展历程，按照单色场、双色场到三色场的发展脉络，从实验方案、理论原理、优化探索三方面综述了国内外多色飞秒光场驱动气体等离子体太赫兹辐射的研究现状和最新成果，并对该方向的未来发展进行了展望。     

缓慢上升快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用的太赫兹辐射产生研究

飞秒激光脉冲与气体等离子体作用可以产生宽带、强的太赫兹脉冲辐射。采用一种缓慢上升、快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用产生太赫兹辐射,并基于等离子体电流模型计算了这种太赫兹辐射的特性。由于这种特殊整形的激光脉冲能够对电子的加速产生较大的速度,从而可以产生较大的等离子体电流和较强的太赫兹辐射。计算结果显示:尽管这种特殊整形的飞秒激光脉冲能量有所损失,它能够比普通双色飞秒激光脉冲产生更强、更宽的太赫兹脉冲辐射。该项研究为基于激光等离子体作用的太赫兹辐射源提供了新的思路。     

基于飞秒激光成丝的太赫兹成像

太赫兹成像作为太赫兹应用的关键技术之一,在安检、无损检测等方面有着广阔的前景。本文采用飞秒激光成丝产生太赫兹波,对掩膜板扫描成像,实现了约100 μm成像分辨率(峰值频率0.51 THz);研究了等离子体丝不同截断位置对太赫兹波产生的影响;通过特征提取,对比了不同时域、频域特征分析下的成像结果。结果显示:积分能量成像方法可以实现最优的成像效果。     

基于太赫兹等离激元的半导体表面生化薄膜光谱检测

我们提出了一种利用太赫兹表面等离激元对放置在半导体表面的生化薄膜进行光谱测量的新方法。我们从理论上证明了半导体材料对其上传输的太赫兹表面等离子体波具有较强的表面束缚性,从而提高太赫兹波与半导体表面的生化薄膜之间的相互作用。通过采用太赫兹时域光谱测量系统,我们从实验上分别得到了洋葱表皮的太赫兹表面等离子体波和自由空间太赫兹波透射波谱。实验结果表明,当测量对象是厚度仅为自由空间太赫兹波波长的约百分之一的单层洋葱表皮时,表面等离子体波的透射波谱与自由空间太赫兹波透射波谱相比具有更加多的特征吸收峰。     

太赫兹技术的发展及在雷达和通讯系统中的应用(Ⅱ)

简要介绍了太赫兹技术的发展和研究现状,概述了太赫兹波的低能性、高穿透性、指纹谱性、宽带性、瞬态性和相干性等独特性质。列举了太赫兹技术在成像、雷达、通信、生物医学、反恐和安检、航空航天领域和天文与地理方面等主要应用研究领域。重点论述和分析了太赫兹技术在雷达探测和通讯系统中的应用,太赫兹雷达以其高距离分辨率、超大信号带宽、强穿透力、低截获率、强抗干扰性、优越的反隐身和穿透等离子体能力而具有强大的技术优势来实现雷达探测系统的众多功能。太赫兹通信是一个极具应用前景的技术,THz波有非常宽的还没分配的频带,并且具有速率高、方向性好、安全性高、散射小、穿透性好等许多特性,THz通信将给通信系统带来巨大的技术进步。指出了太赫兹技术应用到雷达探测和通讯系统中需重点关注的基础技术和关键技术。     

太赫兹波光学参量效应放大特性的理论研究

针对太赫兹波光学参量效应中增益介质对太赫兹波强烈吸收的特点,提出光学参量效应中泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波三波共线相互作用可以有效放大太赫兹波。以周期极化铌酸锂晶体为例,通过解耦合波方程,在不同的近似条件下分析了前向和后向太赫兹波的放大特性。计算结果表明,在太赫兹波吸收系数远大于太赫兹波增益系数的条件下,泵浦光、斯托克斯光和太赫兹波三波共线作用可以有效提高太赫兹波功率。分析结果对周期极化铌酸锂晶体光学参量振荡产生太赫兹波的实验研究提供深入和全面的理论基础。     

强直流场下空气等离子体产生的太赫兹波的特性研究

研究了强直流偏压场下的800 nm飞秒激光电离空气等离子体产生的太赫兹波.通过改变直流偏置场的方向,使之垂直或平行于泵浦光偏振方向,对太赫兹波的偏振特性进行了系统的研究.研究结果表明太赫兹波的产生是有质动力和直流偏置场的共同作用结果,外直流偏置场能够放大和调制总的太赫兹波.     

太赫兹技术的发展及在雷达和通讯系统中的应用(Ⅰ)

简要介绍了太赫兹技术的发展和研究现状,概述了太赫兹波的低能性、高穿透性、指纹谱性、宽带性、瞬态性和相干性等独特性质.列举了太赫兹技术在成像、雷达、通信、生物医学、反恐和安检、航空航天领域和天文与地理方面等的主要应用.重点论述和分析了太赫兹技术在雷达探测和通讯系统中的应用,太赫兹雷达以其高距离分辨率、超大信号带宽、强穿透力、低截获率、强抗干扰性、优越的反隐身和穿透等离子体能力而具有强大的技术优势来实现雷达探测系统的众多功能.太赫兹通信是一个极具应用前景的技术,THz波有非常宽的还没分配的频带,并且具有速率高、方向性好、安全性高、散射小、穿透性好等许多特性,THz通信将给通信系统带来巨大的技术进步.指出了太赫兹技术应用到雷达探测和通讯系统中需重点关注的基础技术和关键技术.     

等离子体鞘套中太赫兹波传输特性研究

采用散射矩阵方法(SMM)研究太赫兹波在非磁化、非均匀等离子体鞘套中的传输特性。在假定等离子体电子密度分布为双指数分布条件下,对太赫兹波斜入射等离子体时的功率反射系数、透射系数及吸收系数进行了仿真,还对其随太赫兹波的入射角度、太赫兹波的频率、等离子体的碰撞频率、等离子体分布形态的变化规律进行了总结。研究结果表明,在上述条件下,太赫兹波在等离子体中均有较好的传输特性。总体上来说,随着太赫兹波频率的提高,太赫兹波在等离子体中的透射性更好,可以考虑提升载频至太赫兹波段来解决通信黑障问题。     

双波长波片导致的脉冲分离对双色场辐射太赫兹波的影响

由于群速度的偏振依赖性,飞秒激光脉冲入射到双波长波片时出射光脉冲会分离为两个具有一定时间延迟的飞秒激光脉冲。从实验和理论模拟两方面研究了双波长波片导致的脉冲分离现象对飞秒激光双色场成丝辐射太赫兹(THz)波效率的影响。实验结果表明,脉冲分离导致的时间延迟会降低双色场辐射THz波的效率,可通过零级双波长波片缩短分离脉冲之间的时间延迟,有效提高THz波的产生效率。     

Theoretical research on cascaded terahertz difference-frequency generation based on sphalerite crystals

A theoretical model of cascaded terahertz(THz) difference-frequency generation is established based on one-dimensional coupled-wave equations.The relationships between sphalerite crystals’ wave vector mismatches and difference-frequency pump waves are analyzed.To produce terahertz wave with the frequency of 1.5 THz,80-order cascaded difference-frequency is applied.By introducing crystal absorption,we calculate the optimum crystal length and pump frequency under actual circumstances.It is found that Stokes waves dominate the terahertz waves output in cascaded progress,and cascaded difference-frequency can increase the photon conversion efficiency obviously.     

基于双温耦合模型的太赫兹晶体损伤阈值分析

飞秒激光通过非线性光学整流效应产生太赫兹(THz)波时,THz波转换效率会随着飞秒激光功 率的增大而明显提高。然而,飞秒激光功率过高会造成非线性晶体损伤,进而影响THz波的 产生及输出, 因而对飞秒激光作用下非线性晶体的损伤阈值进行研究具有重要意义。本文在经典的双温模 型基础上,引 入电子激发、载流子吸收等电离过程的影响,建立了飞秒激光作用下非线性THz晶体损伤 阈值的预估模 型。采用有限差分法,数值模拟了飞秒激光辐照下THz晶体的温度场变化,并据此对 晶体损伤阈值进行 预估。在此基础上,分析比较了LiNbO₃、ZnTe和ZnSe 3种THz晶体的损伤 阈值随激光脉宽的变化规 律。结果表明,晶体的禁带宽度和比热容越大 ,晶体的损伤 阈值就越大;LiNbO₃晶体因其具有更高的损伤阈值,在产生高功率THz波方面 具有更大的优势。     

Study of atmospheric attenuation characteristics of terahertz wave based on line‐by‐line integration

Terahertz band communication promises new solution for satisfying the increasing demand for ultrahigh‐speed wireless communication. Channel models capturing the unique peculiarities of the terahertz (THz) band are required for communication systems designing. Extreme high molecular absorption is a distinctive phenomenon that has to be involved in terahertz communication models. Research in this field has mainly focused on the characteristics along the horizontal propagation path. In this paper, we developed a unified molecular absorption model along the slant propagation path of the THz wave, based on the line‐by‐line integration method developed by Van‐Vleck and Weisskopf and combining the molecular spectral line in the HITRAN database. Then, an in‐depth analysis on the THz channel characteristics is carried out by the developed propagation models. The attenuation characteristics of terahertz waves with frequencies in the range of 0.1 to 1 THz are analyzed by theoretical and mathematical modeling. The results show that the terahertz communication channel has a strong dependence on both the molecular composition of the medium and the transmission distance. The experimental results also indicate the strong absorption frequency points, weak absorption frequency points, and spectral windows.     

地空路径太赫兹波雨天衰减特性分析

雨滴的散射和吸收作用会严重增加地空链路上太赫兹波的传输损耗,降低无线通信的性能。为实现太赫兹波在地空链路上的传输应用,必须对太赫兹波在降雨环境中的传输特性进行深入研究。本文对原有的雨衰模型进行了修正,基于Mie理论,分析了降雨率的变化对地空链路上太赫兹波传输的影响,并与原有模型的计算结果进行了对比。结果表明：在整个太赫兹频段,雨衰减损耗会随降雨率的增加而增大,随频率的增加先增大后减小,且高频太赫兹波段相对0.1~1 THz频段范围的雨衰损耗更小;同时,当频率超过1 THz时,大气窗口越靠近10 THz,损耗越小,在降雨天气环境进行无线通信传输时将更具有通信优势,且频率越低,天顶角越大,模型修正前后的差异性更加明显。     

基于太赫兹时域光谱技术的水蒸气传输特性研究

为了评估太赫兹波在空间通信、雷达、遥感等方面的潜在应用,需要研究太赫兹波在大气中的传输特性。由于0.1～2 THz的太赫兹波在大气中传输的主要衰减来自水蒸气,采用太赫兹时域光谱技术(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS),在2 m长的太赫兹传输行程中对不同湿度的空气进行了透射光谱测量,获得了水蒸气在0.1～2THz频率范围内的吸收谱、传输率和弱衰减窗口。     

太赫兹矩形波导与共面波导耦合结构设计

太赫兹（THz）波位于微波与红外光波之间,现有微波和光波段波导技术应用正在向THz波段拓展。但是,由于水汽对THz波的强吸收及制造工艺等原因,THz器件主要是平面结构,而THz源及其传输需要用矩形波导。因此,矩形波导与共面波导之间的转换结构成为决定元件和系统性能的关键部分。该设计利用脊波导进行阻抗匹配及电磁场模式转换,实现THz波矩形波导到共面波导的高效率耦合。结果表明,在0.2~0.4 THz频段内,该转换结构的传输系数(S₂₁)高于?3 dB,可以对THz电磁场进行高效率转换。该结果可用于太赫兹分子探测、太赫兹通信等领域,为0.2 THz以上太赫兹的模式转换提供了一种可行方案。     

不同行程下水蒸汽太赫兹传输特性

太赫兹波具有独特的性质和应用,却存在大气衰减等物理上的限制.由于太赫兹波在大气传输中主要衰减来自水蒸汽,文中采用太赫兹时域光谱技术,通过构建不同行程的太赫兹时域光谱系统(0.5m、1m、2m、3 m),在0.1~2.0 THz 频率范围内,分别对不同湿度的空气进行太赫兹时域光谱测量,获得了25 个水吸收峰和10 个太赫兹窗口.结果表明:随着传输行程或湿度的增加,吸收谱带被展宽、太赫兹窗口被压缩,为超宽谱太赫兹波的潜在应用提供依据.     

盐酸吗啡的太赫兹光谱和理论仿真分析

采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术测量了盐酸吗啡原料药、4种辅料、中间体、成药在0.2~2 THz波段的光谱。盐酸吗啡原料药特征吸收峰为0.75 THz,1.17 THz,1.76 THz,原料药到成药的THz光谱发生了改变,中间体和成药的吸收谱有非常高的一致性,说明包衣对成药的THz光谱没有显著影响。采用密度泛函理论(DFT)对盐酸吗啡分子进行理论计算,理论吸收峰为0.84 THz,1.10 THz,1.50 THz,理论光谱与实测光谱有较好的一致性。这为太赫兹技术用于药物的快速鉴别提供了理论和实验基础,在建立太赫兹指纹光谱、盐酸吗啡的快速鉴别方面有良好的应用前景。