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太赫兹波段在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间,它具有许多独特的性质,如透视性、低能性、瞬态性、相干性、宽带性和光谱分辨性等,因而在成像、无损探伤、生物医学和信息通信等领域具有极高的应用价值。
利用飞秒激光诱导空气等离子体产生太赫兹脉冲是目前太赫兹领域的一个热门话题,然而该方法产生太赫兹脉冲的物理机制仍存在争议,瞬态光电流模型是其中一种主要的物理机制。本文对该模型中电子动态运动过程进行了模拟研究。基于空气等离子体的太赫兹辐射源可以实现远距离探测或成像,但由于太赫兹脉冲的宽带特性,传播过程中波形会发生显著变化,从而影响探测结果或成像质量。本文以非对称双色激光场诱导空气等离子体产生的太赫兹脉冲为基础,对其传播过程进行了模拟研究。本论文的主要内容和结果如下:
1.对飞秒激光诱导空气等离子体产生太赫兹脉冲的四种主要的物理机制进行了介绍和对比分析。以瞬态光电流模型为基础模拟了太赫兹脉冲产生的物理过程,模拟分析了电离过程中自由电子的运动轨迹和漂移速率,以及在不同双色激光脉冲的光强比和相位差下,太赫兹脉冲波形的变化。
2.对太赫兹脉冲在自由空间传播以及通过聚焦透镜后的时域波形和频谱波形的变化进行了模拟研究。由于太赫兹脉冲的宽带特性,不同的频率分量产生不同程度的衍射损耗,频谱将发生重新分布。当太赫兹脉冲通过聚焦透镜后,差分衍射损耗效应更加显著,后焦点处的太赫兹电场的振荡周期发生变化,远场处的太赫兹电场的中心振幅峰值发生极性反转。
3.对太赫兹脉冲的菲涅尔圆孔衍射进行了理论分析。模拟研究了菲涅尔数、光斑孔径比和脉冲宽度对轴上太赫兹脉冲强度时域波形产生的影响。随着衍射距离的增加,轴上太赫兹脉冲的频谱发生蓝移现象:随着距离中心位置半径的增加,频谱发生红移现象。连续太赫兹波和太赫兹脉冲的菲涅尔圆孔衍射的二维空间强度分布显著不同,太赫兹脉冲菲涅尔圆孔衍射具有更均匀的衍射二维空间强度分布。