强激光与等离子体作用产生太赫兹辐射的模拟研究

摘要

太赫兹辐射是一种波长为亚毫米的非电离电磁辐射，其在生物成像、半导体成像、面化学以及高能凝聚态物理的研究中有着广泛的应用。二维快速成像以及非均匀、非线性物理问题的研究则需要峰值场强达MV/cm量级的强太赫兹辐射源。如今，太赫兹科学与技术已发展为科研领域的前沿学科，如何获得稳定的太赫兹辐射源已经成为关键性的问题，在近十多年以来受到越来越多的关注，而其中最令人瞩目的项目是开发出MW量级强太赫兹辐射源。
　　随着近些年来激光技术的发展，人们已经获得了聚焦光强超过1020W/cm2的超短激光脉冲，这也使得利用该项技术开发新型的THz辐射源成为可能。作为一种非线性光波导，等离子体拥有极高的功率承受阈值，即使在如此强激光的照射下，也不会被破坏。因此，从理论上来说，人们可以将强激光脉冲射入等离子体，以获得强的太赫兹脉冲辐射。
　　强激光与等离子体的相互作用是极复杂的物理过程，需要艰深的理论处理。在本文中，我们对电磁波与静电波之间发生的相互转化进行了理论分析，并编写了一维粒子模拟(PIC)程序对该过程进行了数值模拟。
　　第一章叙述太赫兹技术以及太赫兹源的研究背景、研究现状及其的应用，在本章的最后部分给出了本论文主要的研究内容。
　　第二章主要介绍激光等离子体的基本概念。首先阐述等离子体的基本概念及性质，包括等离子频率、双流体描述、色散关系等等；然后介绍在等离子体中传播的激光的波动方程。
　　第三章我们研究了大振幅等离子体尾波场的激发。本章中，我们介绍了等离子体尾波场的基本概念并分析了该激发过程的物理机制。根据计算，给出在不同条件下，几种典型的激光尾波场的激发模式。
　　在第四章，研究了线性模式转换的关系。当静电波的狄拉克函数为零时，电磁波能量大量被吸收并转换为静电波，激发大振幅的激光尾波场。推算表明电磁波-静电波之间的转换过程是对称可逆的，该转换过程被命名为线性模式转换。因此人们可以通过将激光脉冲射入等离子体中激发激光尾波场，然后尾波场通过线性模式转换产生太赫兹辐射，而这也是本文的理论基础。
　　第五章，主要介绍粒子模拟的基本概念和程序的设计思想。为了验证线性模式转换理论，我们独立编写了一维粒子模拟(PIC)程序对激光驱动等离子体尾波场产生高能太赫兹辐射的过程进行了数值模拟。通过时域有限差分(FDTD)法，构筑差分方程对粒子与电磁场相互作用的过程进行了表述。
　　第六章，我们分别对磁化与非磁化条件下的等离子体在激光脉冲的照射下产生太赫兹辐射的物理过程进行了理论分析和一维PIC模拟。利用线性模式转化理论，绘制这两种过程中的太赫兹发射光谱，并计算了在不同条件下(包括激光与等离子体)的最优参数。结果表明PIC模拟与线性模式转换理论非常吻合。这对于理解激光与磁化或非磁化等离子体作用产生太赫兹辐射的物理机制有着非常重要的意义，并对进一步的实验研究与理论分析有着指导作用。