基于Z变换FDTD方法的电磁波与微等离子体相互作用研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiaoxiaoxiaoren
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电磁波与等离子体相互作用的理论研究已经有大量的文献报道,其基本理论构架已日臻完善,作用机理主要可以归结为等离子体对电磁波的吸收、共振、反射、透射、折射以及变频等几种作用。微等离子体因具有较高的等离子体密度和良好的稳定性等很多独特的优点,很快成为科学工作者研究的热点。但是迄今为止,针对微等离子体与电磁波相互作用的研究大多集中在对现有实验数据的简要分析以及定性的理论解释,缺少一些比较系统的模拟计算。鉴于此本文拟用Z变换FDTD方法研究微等离子体与电磁波相互作用,并将电磁波的频率范围拓展到热门的THz频段内,通过建立相关的理论模型,数值计算并分析电磁波在微等离子体中的传输特性。根据实际情况,总结了理论计算的方法,建立了相关的理论模型,本文建立了具有夹层结构的微等离子体结构,通过引入Z变换FDTD方法对其进行数值模拟计算,研究不同频率电磁波在其中的传输特性。推导并验证了Z变换FDTD方法的正确性,进行了微等离子体与电磁波相互作用的模拟计算,研究了微等离子体结构参数(厚度、密度以及碰撞频率)对电磁波传输特性的影响,通过模拟计算发现等离子体的结构参数对电磁波传输有比较明显的影响,得出了高频透射、反射震荡、存在最低截止频率的三个基本特征。研究了等离子体密度满足Epstein分布的微等离子体结构的电磁波传输特性,并与等离子体浓度处在同一个数量级时的均匀等离子体进行了比较,得出Epstein分布的微等离子体对于相同频率入射电磁波有更小的反射系数、更大的透射系数以及更小的吸收系数的结论。最后研究了夹层结构对电磁波传输特性的影响,发现夹层介质具有周期性的调制作用;研究了周期性结构的微等离子体,发现周期性结构的等离子对入射电磁波频率的选择作用更加明显,其中存在更加复杂的物理机制。通过数值模拟,发现微等离子体对于不同频率的入射电磁波存在不同的频率响应,可以用作等离子体诊断工具,同时具有夹层介质的微等离子体结构对电磁波的调制现象,可用于制造等离子体调制器件对电磁波进行调制。
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