【摘要】：飛秒等離子體絲與電磁波相互作用的機(jī)理研究及應(yīng)用一直是科學(xué)研究的重要方向之一。本文在麥克斯韋方程組的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了電磁波在等離子體絲內(nèi)傳播的傳播常數(shù)與衰減常數(shù),建立等離子體絲陣列與電磁波相互作用模型,利用有限元軟件(COMSOL)建立模型仿真。分別研究了無目標(biāo)存在和有目標(biāo)存在時,陣列對電磁波的反射系數(shù)、透射系數(shù)、及吸收系數(shù),并分析其應(yīng)用于目標(biāo)隱身的可行性。本文的研究表明,無目標(biāo)存在時,等離子體絲陣列對電磁波的影響只有一次。當(dāng)電磁波的偏振方向與等離子體絲的夾角越小,陣列對電磁波的影響越大。增大電子數(shù)密度、降低電子溫度、增大等離子體絲直徑、減小等離子體絲間距時,陣列對電磁波的反射增強(qiáng),透射減弱。飛秒等離子體絲陣列可以吸收電磁波的能量。當(dāng)電子數(shù)密度、電子溫度及電磁波頻率滿足電磁波在等離子體絲中傳播的趨膚深度略大于等離子體絲直徑時,吸收系數(shù)最大,如電磁波頻率為10GHz,等離子體絲直徑為200μm,間距4mm時,當(dāng)趨膚深度為208μm時,吸收系數(shù)最大可達(dá)0.46。當(dāng)陣列對電磁波有效間距(等離子體絲間距在垂直于入射方向上的投影)達(dá)到某值時,如等離子體絲直徑為150μm,有效間距為1.65mm時,陣列對10GHz電磁波的吸收系數(shù)最大可達(dá)0.45。增加陣列層數(shù),反射系數(shù)幾乎不變,吸收系數(shù)增大,透射系數(shù)減小。目標(biāo)存在時,電磁波首先被等離子體絲陣列反射、吸收,透射波入射到目標(biāo)上會發(fā)生反射、繞射,目標(biāo)的反射波又一次通過飛秒等離子體絲陣列,再一次被反射、吸收,最終僅有20%以下的能量到達(dá)接收端。綜合上述兩種情況可以得出結(jié)論,將飛秒等離子體絲陣列應(yīng)用于目標(biāo)隱身是可行的。通過飛秒等離子體絲控制技術(shù)在要防護(hù)的目標(biāo)前形成一層或多層等離子體絲陣列。通過控制陣列的參數(shù),在確保陣列對雷達(dá)波具有較高吸收系數(shù)的情況下,將電磁波反射到其它方向,使接收點(diǎn)接收不到回波,無法獲得目標(biāo)的信息,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)“隱身”。本文的研究可以對飛秒等離子體絲陣列在軍事上的應(yīng)用提供一定的參考,為進(jìn)一步研究飛秒陣列的電磁波傳輸特性打下了基礎(chǔ)。下一步將開展研究單層陣列結(jié)構(gòu)對電磁波傳輸特性影響的實(shí)驗(yàn)研究,以及陣列結(jié)構(gòu)遮蔽目標(biāo)時對雷達(dá)波回波傳輸特性的影響研究。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O53;O441.4
【圖文】：

鏡面在空間形狀上形成強(qiáng)烈的激光脈沖，以產(chǎn)生數(shù)百條均勻分布成圓柱形內(nèi)的細(xì)絲，從逡逑而形成一個直徑約為４５ｍｍ的圓柱形的等離子壁作為波導(dǎo)，成功將１０ＧＨｚ電磁波傳播逡逑１６邋ｃｍ。如圖１．２所示［氣逡逑！邐１邋簽蠢~k逡逑\dＩＩＩ＇：：：：：：媝逡逑邐ｉ逡逑Ｉ邋＼逡逑圖１．２飛秒激光等離子體空心圓柱形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖逡逑美國普林斯頓大學(xué)的Ｍ．邋Ｎ．邋Ｓｈｎｅｉｄｅｒ等人，通過實(shí)驗(yàn)對電磁波在飛秒等離子體絲組逡逑成的波導(dǎo)中傳輸性質(zhì)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對電磁信號幾乎不存在衰減，通逡逑過注入后續(xù)激光可延長等離子體絲壽命，從而增大電磁波傳輸距離［３６］。逡逑加拿大的Ａ．邋Ｍａｒｉａｎ等人，通過實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算，研究了平面等離子體絲陣列對逡逑３５ＧＨｚ電磁波傳播特性的影響，并對結(jié)果進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電磁波的偏振方向與逡逑等離子體絲平行時，陣列對電磁波的作用最�。郏常罚�。長春理工大學(xué)的郝作強(qiáng)等人也對等離逡逑子體絲陣列組成波導(dǎo)進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究［３８］。逡逑南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研宄所與上海光機(jī)所等機(jī)構(gòu)的科研人員對飛秒脈沖在空氣中傳逡逑輸形成等離子體絲的ＴＨｚ輻射現(xiàn)象進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅僅使用一個半圓相位板來產(chǎn)生逡逑兩個平行的細(xì)絲。兩個細(xì)絲之間的ＴＨｚ脈沖疊加起來，使ＴＨｚ脈沖振幅顯著增強(qiáng)［４０］。逡逑Ｖ．邋Ｂｏｇａｔｓｋａｙａ等人建立了惰性氣體中形成的飛秒等離子體絲波導(dǎo)管中電磁波的傳逡逑輸模型

鏡面在空間形狀上形成強(qiáng)烈的激光脈沖，以產(chǎn)生數(shù)百條均勻分布成圓柱形內(nèi)的細(xì)絲，從逡逑而形成一個直徑約為４５ｍｍ的圓柱形的等離子壁作為波導(dǎo)，成功將１０ＧＨｚ電磁波傳播逡逑１６邋ｃｍ。如圖１．２所示［氣逡逑！邐１邋簽蠢~k逡逑\dＩＩＩ＇：：：：：：媝逡逑邐ｉ逡逑Ｉ邋＼逡逑圖１．２飛秒激光等離子體空心圓柱形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖逡逑美國普林斯頓大學(xué)的Ｍ．邋Ｎ．邋Ｓｈｎｅｉｄｅｒ等人，通過實(shí)驗(yàn)對電磁波在飛秒等離子體絲組逡逑成的波導(dǎo)中傳輸性質(zhì)進(jìn)行研究。結(jié)果表明，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對電磁信號幾乎不存在衰減，通逡逑過注入后續(xù)激光可延長等離子體絲壽命，從而增大電磁波傳輸距離［３６］。逡逑加拿大的Ａ．邋Ｍａｒｉａｎ等人，通過實(shí)驗(yàn)與仿真計(jì)算，研究了平面等離子體絲陣列對逡逑３５ＧＨｚ電磁波傳播特性的影響，并對結(jié)果進(jìn)行比較。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電磁波的偏振方向與逡逑等離子體絲平行時，陣列對電磁波的作用最小［３７］。長春理工大學(xué)的郝作強(qiáng)等人也對等離逡逑子體絲陣列組成波導(dǎo)進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)研究［３８］。逡逑南開大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)研宄所與上海光機(jī)所等機(jī)構(gòu)的科研人員對飛秒脈沖在空氣中傳逡逑輸形成等離子體絲的ＴＨｚ輻射現(xiàn)象進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅僅使用一個半圓相位板來產(chǎn)生逡逑兩個平行的細(xì)絲。兩個細(xì)絲之間的ＴＨｚ脈沖疊加起來，使ＴＨｚ脈沖振幅顯著增強(qiáng)［４０］。逡逑Ｖ．邋Ｂｏｇａｔｓｋａｙａ等人建立了惰性氣體中形成的飛秒等離子體絲波導(dǎo)管中電磁波的傳逡逑輸模型

邐碩±栜櫺逡逑移動焦點(diǎn)模型是由Ａ．邋Ｂｒｏｄｅｕｒ等人提出的［２９］。如圖２．２所示［２５］，移動焦點(diǎn)模型在逡逑時域上將激光脈沖分成一■系列連續(xù)的功率切片，每一■層切面都會都有一■個焦點(diǎn)，取終這逡逑些功率切片會沿著激光脈沖的傳播方向上形成一系列連續(xù)的焦點(diǎn)，即形成了等離子體絲。逡逑＾邋Ｓｔｒｏｎｇｅｓｔ邋ｓｌｉｃｅ逡逑１：爹逡逑圖２．２移動焦點(diǎn)ｔ吳型不逡逑２．２電磁波在等離子中的傳播逡逑等離子體中有大量的自由電子［１Ｇ］，由于電子質(zhì)量較小，容易受電磁場力的作用，對逡逑電磁波的傳播有很大的影響。等離子體對電磁波的影響可以用一個與頻率有關(guān)的介電常逡逑數(shù)來描述［３］。逡逑２逡逑＝邋＼（２－９）逡逑？邋－ｊｖ）逡逑ｃｏ邐（２．１０）逡逑ｆ邋Ｖｍｅ＾０逡逑式中：？為等離子體的折射率；為等離子體角頻率；６；為入射電磁波的角頻率；Ｖ為逡逑電子的碰撞頻率；為電子的質(zhì)量。等離子體的相對介電常數(shù)可以寫成復(fù)數(shù)形式逡逑ｓｒ＝ｓ；－ｅ：邐（２．１１）逡逑其中逡逑ｅ：＝ｌ－我，＜邋＝邋ｊ！毒邐（２－１２）逡逑（0￣邋＋Ｖ＂邐（Ｏ邋ＣＯ邋＋Ｖ逡逑對于飛秒等離子體絲，則有ｖ邋＝邋４＋Ｌ，其中Ｖｅｎ＝〃ｉ４？ｎ為電子與中性粒子的碰撞逡逑頻率；ｕｅｉ？３ｘｌ0４ｌｎＡ／７ｅｒｅ－３／２為電子與離子的碰撞頻率；１４為電子熱運(yùn)動速度；＼為逡逑中性粒子的粒子數(shù)密度［４２］；邋％為電子數(shù)密度；ＩｎＡ為庫倫對數(shù)；ｓ＝５ｘｌ0－１５ｃｍ２為碰撞逡逑散射截面；ｊ為虛數(shù)單位［１Ｑ］。當(dāng)入射電磁波為平面波時，其指數(shù)函數(shù)形式為逡逑ｅｘｐｊ（？ｔ－Ａｘｒ）邐（２－１３）逡逑１０逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2757746