【摘 要】
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在电磁波谱中,太赫兹(terahertz)波段拥有着许多独特的性质,且太赫兹波段的光谱中携带着大量物质的物理与化学信息,使得太赫兹这一门全新的前沿学科技术被各国政府和科研工作者强烈重视。太赫兹波技术在材料学、医学、信息通讯、安全检查等领域拥有着重要的研究意义和光明的生产远景。而所产生的太赫兹波辐射源具有的性能,则决定了能否把太赫兹这一门前沿技术大量投入到生活中的各领域加以运用。飞秒激光激励气体和液
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在电磁波谱中,太赫兹(terahertz)波段拥有着许多独特的性质,且太赫兹波段的光谱中携带着大量物质的物理与化学信息,使得太赫兹这一门全新的前沿学科技术被各国政府和科研工作者强烈重视。太赫兹波技术在材料学、医学、信息通讯、安全检查等领域拥有着重要的研究意义和光明的生产远景。而所产生的太赫兹波辐射源具有的性能,则决定了能否把太赫兹这一门前沿技术大量投入到生活中的各领域加以运用。飞秒激光激励气体和液体产生太赫兹是当下的研究热点,该方法能够提供高功率和超宽带的太赫兹辐射,广泛应用于多个领域。空气介质中该方法所产生的太赫兹波在传输过程中存在严重的吸收和损耗,因此需进一步提高其太赫兹辐射效率并进行应用研究;而在液体介质中,该方法的理论研究较少,需要进一步研究其中的物理过程。因此本论文针对这两个问题进行研究。用MATLAB仿真的手段研究气体等离子体激发太赫兹中,改变激光场谐波数量增强太赫兹辐射的物理过程。用COMSOL中粒子漂移扩散模块研究在水中太赫兹激发过程中粒子的运动轨迹。本文首先基于光电流模型,对空气中多色光激发等离子体产生太赫兹的物理过程进行了数值模拟。研究气体介质中,在基频光的基础上引入倍频光对太赫兹产生的影响。并从电子数密度和电子电流角度阐述其内在的机理;进一步研究了三色激光场作用下太赫兹增强效果,并与双色进行比较。从多角度阐述其中的物理机理,并计算出了三色光激发下的太赫兹频谱图和时域图。其次针对本文介绍的液体中激发太赫兹过程中的粒子运动,构建了相应运动模型,选择带电粒子追踪接口研究粒子运动轨迹。主要从双色激光峰值强度、强度比、波长、相位差四个角度在COMSOL中进行建模与仿真。研究结果表明:(1)采用光电流模型进行数值模拟,模拟结果表明:在800nm基波的基础上引入400nm的二次谐波能够有效的增加太赫兹的强度,单色光所辐射的太赫兹的强度仅为双色光的10-4倍数。(2)在双色光的基础上引入267nm的三次谐波后,输出的太赫兹频谱图出现了三个尖峰,且太赫兹波段的频谱幅值约为双色光的两倍。证明了三次谐波的引入能够有效提高太赫兹辐射的强度和功率。(3)开展了液体介质中太赫兹激发过程电离阶段粒子运动轨迹的研究,研究发现:随着双色激光峰值强度的增加,粒子运动轨迹的范围逐渐增大,且正反方向的偏差越大,产生的净电流越多;强度比的变化对粒子运动轨迹的影响较小;随着基波波长的增加,高斯光场的包络增大,粒子运动轨迹的范围增加,且正反方向的不对称性增强,净电流增加;最后改变激光场相位差,发现在相位差φ=π/2时候,粒子运动轨迹正反方向的差别最大,产生的漂移电流也最大。本论文以光电流模型为基础分析了三次谐波增强太赫兹波辐射的内在机理,为太赫兹增强技术补充了新的思路;同时通过建模分析研究了水激发产生太赫兹中各参数变化与粒子运动的关系,为之后水激发太赫兹的研究提供了仿真基础和研究方法。
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