太赫兹波在大气压等离子体中的传输特性研究

Terahertz (THz) technology is praised as the innovatied technology in 21 century. After more than 10 years development, the THz source and detector have gradually become maturity, and then "It is time to pave the way for the applications of THz waves." (The message that Nature Photonics took from the 2nd International Workshop on THz Technology, held in Osaka, Japan, from 30 Nov.-3 Dec. 2009.) Among the widespread uses，plasma diagnostic with THz waves, is just one of the new techniques with great promise. This proposal aims to the atmospheric pressure plasmas, and tries to use THz waves with the frequency 0.8-7 THz to irradiate the plasma. By analyzing the results of absorption, reflection, transmisson spectrum and the phase shift of the THz wave , combining the results of numerical simulation, the physical mechanisms,such as non-linear mechanism, will be potentially investigated.According to the data from experiment, the information of the plasma,such as electron density profile, temperature and collision frequency characteristics, has been presented. In addition, the system of plasma diagnostics with THz waves will be given, and its conditions and ranges of application would be analyzed. These results would be benefical to applications of THz waves in plasma diagnostics, communications in reentering of aerocrafts and detections of outer space.

太赫兹（THz）技术被视为"21世纪新的前沿革命"，近十几年来，THz波的产生和探测技术快速发展，为其在各个领域的广泛应用提供了基础。其中利用THz波对等离子体进行诊断就是颇具前途的尝试。本文以大气压等离子体为研究对象，利用输出频率范围在0.3 - 7 THz之间的太赫兹激光器系统，研究THz波在大气压等离子体中的传输特性。通过分析THz波的吸收、反射、透射和相位变化特性，结合数值模拟结果，探究等离子体和THz波相互作用蕴含的非线性机理以及其它物理机理。利用实验测量的透射、相位变化等信息，通过理论推导，获取等离子体的电子密度分布、温度特征以及碰撞频率特征等信息，以期建立THz波诊断等离子体原理性系统，并分析THz波用于等离子体诊断的条件和适应范围。项目成果对于THz波高密度等离子体诊断、飞行器再入段的THz波通信以及THz波在深空探测中的应用，具有一定的指导意义。

大气压等离子体在材料表面处理、生物和医学应用、等离子体推进，以及一些新的应用例如石墨烯等纳米材料的合成等方面具有重要价值，是国内外科学工作者研究的热点。大气压等离子体对应的等离子体频率恰好处于THz波的频率范围，两者相互作用具有重要的物理意义和应用价值。本项目对等离子体和THz波相互作用进行了理论、数值仿真和实验研究。结合大气压等离子体高密度、高碰撞频率等特点，采用碰撞模型，考虑到实际中人工大气压等离子体的特点，建立了“Sandwich”型大气压等离子体模型，利用Z变换FDTD方法模拟了太赫兹波在该模型中的传输特性。并在实验室建立了DBD等离子体和电弧等离子体两种大气压等离子体装置，利用相干（Coherent）公司SIFIR-50型号太赫兹气体激光器进行了THz波传输实验研究。研究表明：较高频率的THz波可以在了DBD等离子体中无损耗进行传输，而电弧等离子体对THz波的传输具有吸收作用。本项目较好的完成了立项时计划的全部研究内容，达到了预期研究目标。通过本项目的研究，为利用THz波进行大气压等离子体诊断提供了理论和实验依据，同时对于利用等离子体进行THz波调制具有借鉴意义。. 通过本项目的研究，已发表学术论文6篇，其中首次研究了超强THz波在等离子体中的非线性传输现象，并在SPIE会议上发表论文。参与17届全国等离子体科学技术会议和第4届大气压等离子体会议，就等离子体中电磁波传输特性作了口头报告。