thz电磁波在时变非磁化等离子体中的传播特性研究

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．19(2014)194101THz电磁波在时变非磁化等离子体中的传播特性研究冰陈文波龚学余十邓贤君冯军黄国玉(南华大学电气工程学院，衡阳421001)(2014年3月27日收到；2014年4月23日收到修改稿)本文建立了时变非磁化等离子体平板的一维模型，并采用时域有限差分(FDTD)方法对太赫兹(THz)电磁波在时变等离子体中传播时的反射、透射系数及吸收率进行了计算．然后根据计算结果分析了时变等离子体的上升时间、电子密度、温度以及等离子体平板厚度等参数对不同频段THz波在等离子体中传播特性

2、的影响．分析结果表明：THz波在时变等离子体中传播时，其反射系数受等离子体电子密度和上升时间的影响较大；而吸收率则随着上升时间的减小、电子密度及平板厚度的增加而增大：此外，THz电磁波能够穿透量级为102Um的高密度等离子体层，可以作为再入段飞行器通信以及高密度等离子体诊断的理想工具．关键词：THz电磁波，时变等离子体，传输特性，时域有限差分法PACS：41．20．Jb，52．25．Os，52．40．Db，92．60．TaDOI：10．7498／aps．63．194101反隐身探测以及等离子体诊断等领域中更为广泛1引言的应用0,101．太赫兹

3、波在等离子体中传输特性的研究已经成为太赫兹技术和等离子体物理领域中的电磁波在等离子体中传播作为一个非常有实一个重要课题．际意义的研究领域，其理论体系经过几十年的发展从已有文献资料来看，目前关于THz电磁波已日臻完善，但是还不能囊括所有方面．尤其是目与等离子体相互作用的实验研究仅有寥寥几篇相前对于以电离层中的无线电通信为背景和以等离关报道，且研究重点为实验数据的测量及现象的描子体诊断为目的的电磁传输问题其应用的电磁波述[11-13】；理论研究则都是在假设等离子体的空间频段主要集中在微波波段(<10GHz)[1-4】，然而分布是不随时间变化的条件

4、下进行的[14-19]．然而，当等离子体电子密度达到100m一3量级时，等离对于实际放电装置内产生的等离子体，其空间分布子体的电磁波截止频率将进入太赫兹fTHz1波段是随时间变化的，当THz波与快速产生的等离子体(10—10GHz)，这导致了微波在等离子体中应用相互作用时，极有可能产生一些新的物理现象和规时，会出现诸如航天器在再入大气层过程中通信中律．因此，对THz电磁波在时变等离子体中的传播断、高密度等离子体不能采用微波来进行诊断[5_8]特性展开研究同样具有十分重要的现实意义．等一系列技术难题．本文将采用FDTD方法求解THz电磁波垂直近

5、年来，强太赫兹辐射源及探测装置的快速发入射到非磁化时变等离子体层中的反射、透射系数展，不仅使人们在THz波段内对电磁波与高密度等及吸收率，并结合数值结果研究等离子体上升时离子体的相互作用展开研究成为可能，同时还推动间、密度、平板厚度以及等离子体温度等参数对时了THz波技术在射电天文、无线电空间通信、雷达变等离子体中THz波传播特性的影响．}国家自然科学基金(批准号：11375085)资助的课题t通讯作者．E—mail：gongXueyu@126．COIn@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／／wulixb

6、．iphy．ac．cn物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．19(2014)194101离子体外部区域的电磁场计算，则只需将(9)式中2等离子体中的FDTD方法的电流密度分量J设为0即可．平面电磁波在非磁化、均匀、时变等离子体3数值模拟结果中传播时，满足的Maxwell方程及等离子体运动方程为[20]本文所建立的THz电磁波垂直入射到非均匀×日=￡。OE时变等离子体平板的一维模型如图1所示．等离子+J，(1)体板位于计算区域中间，两边为自由空间，计算区×E=一OH，(2)域两侧设置MUR吸收边界以吸收透射和反射波．入射电磁波沿

7、+Z方向传播，频率范围为0．1—1．1圳J础evp,(3)mTHz．计算的空间离散网格尺寸△=10gm，时间Vc(t)=5．2×10坞·Pj(4)步长At=Ax／2c以满足FDTD方法的稳定条件．P=n。o(t)··T，(5)上式中的E是电场强度，日为磁场强度，是电流密度；E"0，0分别是真空中的介电常数和磁导率；为等离子体碰撞频率，k是玻尔兹曼常数，是等离子体温度，P为等离子体压强；。(t)=／n。0(t)e2fl2Eo表示等离子体角频率，n。0为等离子体电子密度，对于均匀时变等离子体，电子密度Z随时间变化的表达式为ne0()=n。．，式中

8、002O．O4O．06的n。为等离子体的最大电子密度，为时变等离距离／m子体的上升时间．由(3)式可以得到电流密度的图1THz波在等离子体平板中传播的一维模型X分量