飞秒等离子体丝阵列电磁波隐身效应研究

发布时间：2020-07-16 08:10

【摘要】：飞秒等离子体丝与电磁波相互作用的机理研究及应用一直是科学研究的重要方向之一。本文在麦克斯韦方程组的基础上,推导了电磁波在等离子体丝内传播的传播常数与衰减常数,建立等离子体丝阵列与电磁波相互作用模型,利用有限元软件(COMSOL)建立模型仿真。分别研究了无目标存在和有目标存在时,阵列对电磁波的反射系数、透射系数、及吸收系数,并分析其应用于目标隐身的可行性。本文的研究表明,无目标存在时,等离子体丝阵列对电磁波的影响只有一次。当电磁波的偏振方向与等离子体丝的夹角越小,阵列对电磁波的影响越大。增大电子数密度、降低电子温度、增大等离子体丝直径、减小等离子体丝间距时,阵列对电磁波的反射增强,透射减弱。飞秒等离子体丝阵列可以吸收电磁波的能量。当电子数密度、电子温度及电磁波频率满足电磁波在等离子体丝中传播的趋肤深度略大于等离子体丝直径时,吸收系数最大,如电磁波频率为10GHz,等离子体丝直径为200μm,间距4mm时,当趋肤深度为208μm时,吸收系数最大可达0.46。当阵列对电磁波有效间距(等离子体丝间距在垂直于入射方向上的投影)达到某值时,如等离子体丝直径为150μm,有效间距为1.65mm时,阵列对10GHz电磁波的吸收系数最大可达0.45。增加阵列层数,反射系数几乎不变,吸收系数增大,透射系数减小。目标存在时,电磁波首先被等离子体丝阵列反射、吸收,透射波入射到目标上会发生反射、绕射,目标的反射波又一次通过飞秒等离子体丝阵列,再一次被反射、吸收,最终仅有20%以下的能量到达接收端。综合上述两种情况可以得出结论,将飞秒等离子体丝阵列应用于目标隐身是可行的。通过飞秒等离子体丝控制技术在要防护的目标前形成一层或多层等离子体丝阵列。通过控制阵列的参数,在确保阵列对雷达波具有较高吸收系数的情况下,将电磁波反射到其它方向,使接收点接收不到回波,无法获得目标的信息,从而实现目标“隐身”。本文的研究可以对飞秒等离子体丝阵列在军事上的应用提供一定的参考,为进一步研究飞秒阵列的电磁波传输特性打下了基础。下一步将开展研究单层阵列结构对电磁波传输特性影响的实验研究,以及阵列结构遮蔽目标时对雷达波回波传输特性的影响研究。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O53;O441.4
【图文】：

飞秒激光等离子体,普林斯顿大学,空心圆柱,飞秒

镜面在空间形状上形成强烈的激光脉冲，以产生数百条均匀分布成圆柱形内的细丝，从逡逑而形成一个直径约为４５ｍｍ的圆柱形的等离子壁作为波导，成功将１０ＧＨｚ电磁波传播逡逑１６邋ｃｍ。如图１．２所示［气逡逑！逦１邋签蠢~k逡逑\dＩＩＩ＇：：：：：：媝逡逑逦ｉ逡逑Ｉ邋＼逡逑图１．２飞秒激光等离子体空心圆柱形波导结构示意图逡逑美国普林斯顿大学的Ｍ．邋Ｎ．邋Ｓｈｎｅｉｄｅｒ等人，通过实验对电磁波在飞秒等离子体丝组逡逑成的波导中传输性质进行研究。结果表明，该波导结构对电磁信号几乎不存在衰减，通逡逑过注入后续激光可延长等离子体丝寿命，从而增大电磁波传输距离［３６］。逡逑加拿大的Ａ．邋Ｍａｒｉａｎ等人，通过实验与仿真计算，研究了平面等离子体丝阵列对逡逑３５ＧＨｚ电磁波传播特性的影响，并对结果进行比较。研究发现，当电磁波的偏振方向与逡逑等离子体丝平行时，阵列对电磁波的作用最小［３７］。长春理工大学的郝作强等人也对等离逡逑子体丝阵列组成波导进行了理论与实验研究［３８］。逡逑南开大学现代光学研宄所与上海光机所等机构的科研人员对飞秒脉冲在空气中传逡逑输形成等离子体丝的ＴＨｚ辐射现象进行研究。实验发现仅仅使用一个半圆相位板来产生逡逑两个平行的细丝。两个细丝之间的ＴＨｚ脉冲叠加起来，使ＴＨｚ脉冲振幅显著增强［４０］。逡逑Ｖ．邋Ｂｏｇａｔｓｋａｙａ等人建立了惰性气体中形成的飞秒等离子体丝波导管中电磁波的传逡逑输模型

轰炸机

焦点,等离子体

逦硕±栜櫺逡逑移动焦点模型是由Ａ．邋Ｂｒｏｄｅｕｒ等人提出的［２９］。如图２．２所示［２５］，移动焦点模型在逡逑时域上将激光脉冲分成一■系列连续的功率切片，每一■层切面都会都有一■个焦点，取终这逡逑些功率切片会沿着激光脉冲的传播方向上形成一系列连续的焦点，即形成了等离子体丝。逡逑＾邋Ｓｔｒｏｎｇｅｓｔ邋ｓｌｉｃｅ逡逑１：爹逡逑图２．２移动焦点ｔ吴型不逡逑２．２电磁波在等离子中的传播逡逑等离子体中有大量的自由电子［１Ｇ］，由于电子质量较小，容易受电磁场力的作用，对逡逑电磁波的传播有很大的影响。等离子体对电磁波的影响可以用一个与频率有关的介电常逡逑数来描述［３］。逡逑２逡逑＝邋＼（２－９）逡逑？邋－ｊｖ）逡逑ｃｏ逦（２．１０）逡逑ｆ邋Ｖｍｅ＾０逡逑式中：？为等离子体的折射率；为等离子体角频率；６；为入射电磁波的角频率；Ｖ为逡逑电子的碰撞频率；为电子的质量。等离子体的相对介电常数可以写成复数形式逡逑ｓｒ＝ｓ；－ｅ：逦（２．１１）逡逑其中逡逑ｅ：＝ｌ－我，＜邋＝邋ｊ！毒逦（２－１２）逡逑（0￣邋＋Ｖ＂逦（Ｏ邋ＣＯ邋＋Ｖ逡逑对于飞秒等离子体丝，则有ｖ邋＝邋４＋Ｌ，其中Ｖｅｎ＝〃ｉ４？ｎ为电子与中性粒子的碰撞逡逑频率；ｕｅｉ？３ｘｌ0４ｌｎＡ／７ｅｒｅ－３／２为电子与离子的碰撞频率；１４为电子热运动速度；＼为逡逑中性粒子的粒子数密度［４２］；邋％为电子数密度；ＩｎＡ为库伦对数；ｓ＝５ｘｌ0－１５ｃｍ２为碰撞逡逑散射截面；ｊ为虚数单位［１Ｑ］。当入射电磁波为平面波时，其指数函数形式为逡逑ｅｘｐｊ（？ｔ－Ａｘｒ）逦（２－１３）逡逑１０逡逑

【参考文献】