THz波斜入射非均匀磁化等离子体的 衰减特性研究

李俊杰，董群锋,2，张辉,2，武瑞青

（1. 西安工业大学 理学院，西安 710021；2. 咸阳师范学院 物理与电子工程学院，陕西 咸阳 712000）

太赫兹（THz）波是一种频率很高的电磁波，它处于微波和远红外之间，频率在0.1～10 THz这一范围内。太赫兹波与微波相比具有穿透性强、带宽更宽、传输效率高的特点。太赫兹波本身具有低能量性、相干性、瞬态性以及很高的透射性，较好的相干性、宽带性这些特点。目前来说，太赫兹波尚未被完全开发，因此该波段叫做“太赫兹鸿沟”[1-2]。

等离子体隐身技术是20世纪提出的一种非常规隐身技术，目前美俄等军事强国正在大力发展。这种技术的隐身机理实际上就是通过某种方法使飞行器的金属表层上能形成一层等离子体。电磁波在非均匀等离子体中的碰撞吸收很大，该种隐身技术使得电磁波在非均匀等离子体薄层内发生更多的吸收和折射，更少的反射，从而导致回波的能量降低，雷达更难发现目标[3]。

近年来，等离子体与太赫兹波的相互作用受到研究人员的关注。Kolner等人[4]研究了THz脉冲在等离子体中的传输特性。Glyavin等人[5]研究了THz辐射的产生及其与等离子体和气体的相互作用。李茜等[6]研究了太赫兹波对抗等离子体隐身技术。蒋金等[7]研究了太赫兹波在非均匀等离子体鞘套中的传播特性。陈文波等[8]研究了THz电磁波在时变非磁化等离子体中的传播特性。杨玉明等[9]研究了太赫兹雷达反等离子体隐身技术。郑灵等[10]研究了太赫兹波在均匀非磁化等离子体中的传播特性。文献[11]研究了尘埃等离子体中太赫兹波传输特性。董群锋等[12]研究了太赫兹波在均匀非磁化等离子体中的传播特性。陈春梅、周天翔等[13-14]分别研究了均匀磁化等离子体中太赫兹波的传播特性。从目前研究来看，主要研究太赫兹波与非磁化等离子体、均匀等离子体的相互作用。文中应用WKB近似法研究了太赫兹波斜入射到非均匀磁化等离子体的衰减特性，分析了太赫兹波入射频率、碰撞频率、电子密度、入射角度、外加磁场强度等因素对太赫兹波在磁化非均匀等离子体中衰减特性的影响。

1 基本理论与物理模型

文中考虑的是非均匀磁化等离子体，太赫兹波在等离子体中的传输模型如图1所示[15]，其中d为等离子体厚度。

图1 太赫兹波在非均匀等离子体中传输模型

在一维的情况下，磁化冷等离子体的相对介电常数εr为[13]：

式中：ω为太赫兹波的入射频率；ωp为等离子体频率，；ωc为电子回旋频率；e为电子电量；ne为电子密度；ε0为真空介电常数；me为电子质量；B为磁场强度；ven为有效碰撞频率。

平面电磁波的色散关系为[15]：

式中：k0为自由空间波数，k0=ω/c。

令电磁波的入射角为θ，则在第n层等离子体的入射角和回波的出射角分别为θn、θt。根据斯菲涅尔定律有：

式中：nn为第n层的等离子体折射率。当电场沿y方向时，非均匀磁化等离子体内电磁波的波动方程可写为：

那么第n层内传播的电磁波的场量可表示为：

式中：±表示波的传播方向，向上或向下；x、y表示极化的方向。

由式（4）可得出非均匀等离子体内电磁波的波动方程为：

式（6）的WKB解为：

式中：E0为入射波电场强度；Ey为电场沿y方向的强度。

由于金属边界的存在，当电磁波从z=d处以θ入射到等离子体内部并在z=0处被反射回来，则太赫兹波斜入射到非均匀磁化等离子体的双程衰减为[15]：

式中：p表示透射功率；p0表示太赫兹波的入射功率；z表示等离子体的厚度；k1为等离子体中的波数。

2 数值计算

等离子体中的电子密度分布是影响电磁特性的重要因素。通常情况下，等离子体的电子密度分布近似为Epstein分布，其表达式为[16]：

式中：σ1=0.1；σ2=1.0；n0为等离子体电子密度峰值；L为等离子体厚度。以下仿真的电子密度峰值取为1018m-3。

2.1 外加磁场强度对太赫兹波在等离子体中衰减特性的影响

当等离子体厚度为10 cm（分10层），电子密度峰值为1018m-3，入射角为30°，碰撞频率为0.3 THz，外加磁场强度分别取3、5、7、9 T时，外加磁场对太赫兹波衰减的影响如图2所示。可以看出，随着外加磁场的增大，衰减的最大值向着太赫兹波频率较高的方向移动。随着太赫兹波频率的增大，衰减先增大后减小。引起上述情况的原因是：在恒定磁场下，等离子体中自由振荡的电子将会以一定的回旋频率在与磁场线垂直的平面内做圆周运动，电子运动将会被限制。

图2 外加磁场对太赫兹波衰减的影响

2.2 入射角度对太赫兹波在等离子体中衰减特性的影响

当等离子体厚度为10 cm，电子密度峰值为1018m-3，磁场强度为3 T，碰撞频率为0.3 THz，入射角分别取0°、30°、50°、70°时，入射角度对太赫兹波衰减的影响如图3所示。可以看出，对于同一入射波频率，入射角增大，衰减增大。这是由于入射角越大，太赫兹波在等离子体中传播距离也就越大，等离子体中电子吸收的能量变大。

2.3 不同电子密度峰值对太赫兹波在等离子中衰减特性的影响

当等离子体厚度为10 cm，入射角为60°，磁场强度为3 T，碰撞频率为0.3 THz，电子密度峰值分别取1×1017、1×1018、1×1019m-3时，等离子体电子密度对太赫兹波衰减的影响如图4所示。可以看出，随着电子密度峰值的不断增大，衰减不断增大。随着太赫兹波入射频率的不断增大，衰减曲线呈下降趋势，这与文献[14]结果一致。这是由于当等离子体密度增加时，等离子体中电子数目增多，入射电波与带电粒子的碰撞概率增大，电子从入射电波中吸收更多的能量加速自身无规则运动。

2.4 碰撞频率对太赫兹波在等离子体中衰减特性的影响

当等离子体厚度为10 cm，电子密度峰值为1018m-3，入射角为30°，磁场强度为3 T，碰撞频率分别取0.1、0.13、0.15、0.17 THz时，碰撞频率对太赫兹波衰减的影响如图5所示。可以看出，随着碰撞频率的不断增大，衰减不断变小。当太赫兹波的入射频率增大时，衰减先增大后减小。其原因是：当等离子体碰撞频率增加时，电子与中性粒子的碰撞几率变大，通过碰撞传给中性粒子的能量变大，从而导致衰减增加；但当碰撞频率过高时，电子在碰撞前被电场加速的时间很短，未能从电场获取更多的能量，从而导致衰减减小。

3 结论

利用电子密度为Epstein分布的条件建立了一维非均匀磁化等离子体模型，通过仿真可以得出以下结论。

1）当外加磁场强度增大时，衰减的最大值向着较高太赫兹波频率的方向移动。

2）入射角度不断增大，衰减不断增大。

3）电子密度峰值不断增大，衰减不断增大。

4）碰撞频率不断增大，衰减不断减小。

由此，可以通过调节外加磁场强度、等离子体电子密度和碰撞频率，使得太赫兹波在等离子体中传播的过程中衰减发生变化，为太赫兹雷达反等离子体隐身技术提供了重要参考。