宽带太赫兹波在非均匀等离子体鞘层中传输特性研究

Improving the carrier frequency by using broadband terahertz wave as a carrier is an effective way to solve the blackout. The "blackout" plasma is the plasma with a sheath and high collision frequency. It, however, is not clear on the propagation discipline of the broadband THz wave in the plasma. In this project, the transmission characteristic of broadband Terahertz wave in inhomogeneous plasma with a sheath is studied by the experimental and theory methods. On experiment, the plasmas with different characteristic parameter are respectively generated by the means of DC glow discharge、high voltage radio frequency discharge, etc. The plasmas are diagnosed by Langmuir probe method、emission spectrum diagnosing method and terahertz wave diagnosing method , and the “blackout” plasma is generated in lab. GaAs photoconductive antenna is used as terahertz source. The frequency of the THz wave is from 0.1 THz to 3.0THz. The propagation discipline of the broadband THz wave in the plasma is analyzed. Research on theory: the reflectivity, transmissivity and attenuation of terahertz waves with different frequency in the plasma are simulated by scattering matrix method (SMM) and using the MATHCAD soft. The attenuation mechanism of the transmission in plasma is analyzed. A lossless transmission model of the broadband THz wave in Plasma is offered. The project provides both experimental and theoretical foundation to terahertz wireless communication for solving the “blackout” by using terahertz wave as the carrier.

利用太赫兹波作为载波是解决航天器“黑障”问题的有效途径之一，“黑障”等离子体是具有鞘层且高碰撞频率的高浓度等离子体。但目前人们尚不清楚宽带太赫兹波在该等离子体中的传输规律。本项目从实验和理论两方面研究宽带太赫兹波在非均匀等离子体鞘层中传输特性。实验上利用直流辉光放电、高压射频放电等方法分别产生不同特征参数的均匀和非均匀等离子体。运用朗缪尔探针法、发射光谱法和太赫兹光谱法诊断等离子体。用GaAs光电导天线作为宽带太赫兹波源（0.1-3.0THz），研究其在等离子体中的传输规律，特别是能够在非均匀等离子体鞘层中低损耗传输的太赫兹频段的特性。理论上运用散射矩阵法利用MATHCAD软件编程计算各频段太赫兹波在不同特性等离子体中传输的透射、反射及衰减，分析其在等离子体中传输的衰减机理，建立宽带太赫兹波在等离子体中低损耗传输的理论模型。为用太赫兹波作为通信载波，解决“黑障”问题奠定理论和实验基础。

利用太赫兹波作为载波是解决航天器“黑障”问题的有效途径之一，“黑障”等离子体是具有鞘层且高碰撞频率的高浓度等离子体。但目前人们尚不清楚宽带太赫兹波在该等离子体中的传输规律。本项目从实验和理论两方面研究了宽带太赫兹波在均匀等离子体和非均匀等离子体鞘层中传输特性。实验上利用直流辉光放电、高压射频放电等方法分别产生不同特征参数的均匀和非均匀等离子体。运用朗缪尔探针法、发射光谱法和太赫兹光谱法诊断了等离子体。获得了浓度在1016～1019 m-3范围的均匀等离子体和浓度在1017～1018 m-3量级范围且具有鞘层的得氦射流等离子体和氖射流等离子体。用GaAs光电导天线作为宽带太赫兹波源（0.1～3.0 THz），实验研究了太赫兹波分别在均匀离子体、具有鞘层且高碰撞频率射流等离子体、较薄鞘层且较低碰撞频率射流等离子体和无鞘层且低碰撞频率射流等离子体中的传输特性，计算了太赫兹波在等离子体中的透射率和传输衰减。结果表明，宽带太赫兹波在浓度为1016～1019 m-3范围的直流辉光放电均匀等离子体中可以无衰减的传输；宽带太赫兹波在存在鞘层且高碰撞频率的射流等离子体中传输衰减最大，约22 dB，衰减的频率约1.9 THz，但其他频段的衰减不到8 dB。理论上认为非均匀鞘层等离子体是由若干层均匀等离子体构成，提出了射流等离子体多层结构模型，运用散射矩阵法(SMM)利用MATHCAD软件编程计算各频段太赫兹波在不同特性等离子体中传输的透射、反射及衰减，分析了其在等离子体中传输的衰减机理，建立了宽带太赫兹波在等离子体中低损耗传输的理论模型。提出了利用宽带太赫兹波代替微波作为载波解决“黑障”问题的解决方案，为用太赫兹波作为通信载波，解决“黑障”问题奠定理论和实验基础。