微波被激光等离子体反射时反射波频率的频率变化

微波被激光等离子体反射时反射波频率的频率变化

20世纪50年代和60年代，人们研究了电离层氧化物的通信特性，研究了低频波。作为一种有效的电磁波反射和吸收器,等离子体对电磁波的反射和吸收特性再度引起了科研人员的关注。20世纪90年代美国的Vidmar开始研究高频波与等离子体的相互作用,并使用等离子体隐身的概念。等离子体隐身技术的基本原理是电磁波与等离子体的相互作用,即利用等离子体对电磁波的反射、折射、吸收、变频等,衰减电磁波的能量或改变电磁波的传播相角。理论研究得到等离子体的密度、温度、碰撞频率、以及压强等参量可以影响等离子体对电磁波的反射、折射和吸收等过程,许多人对此进行了实验研究,得到其相互作用关系与理论基本相符。另外,还有一些学者对等离子体反射波的频移进行了实验研究,但大都集中于等离子体反射激光的情况。Veres等人通过实验研究了激光脉冲被铝、聚苯乙烯和铜等离子体反射的频移,研究表明反射波频移随激光强度的增加而增加,Kalashnikov等人在通过实验观察到反射波不但有蓝移现象,而且通过实验观察到红移现象(蓝移和红移分别对应于临界面向外和向内移动);X.Xu等人首次通过实验观察了微波被放电产生的等离子体反射的情况,得到了反射波频率增加的结果。因激光等离子体的电子密度比较高,所以当入射波处于微波波段时,将被激光等离子体反射。激光等离子体从产生到膨胀、衰减、以及熄灭的过程中电子密度不断变化,对应了反射入射波的等离子体面不断移动,由多普勒原理可知,当微波入射到激光等离子体时,反射波的频率将发生改变。本文利用频谱分析仪测量了频率为35和40GHz的微波被激光等离子体反射时反射波的频率,研究了不同激光功率密度以及不同微波频率对反射波频率变化的影响并分析了原因。1实验装置及方法等离子体电子振荡频率可以表示为ωpe=nee2/meε0−−−−−−−−−√(1)ωpe=nee2/meε0(1)式中:ne为等离子体中自由电子的密度;e,me分别为电子电量和质量(e=-1.60×10-19C,me=9.11×10-31kg);ε0为真空中的介电常数(ε0=8.854×10-12F/m)。等离子体是一种色散介质,当微波入射到非磁化、无碰撞(不考虑电子与中性粒子的碰撞)等离子体时,其折射率可表示为n=1−ω2pe/ω2−−−−−−−−−√(2)n=1-ωpe2/ω2(2)式中:ω为微波角频率。由式(2)可知,当微波角频率ω>ωpe时,n为实数,微波在等离子体中传播速度u=c/n也是实数,微波能够在等离子体中传播;当微波角频率ω<ωpe时,n为虚数,微波在等离子体中传播速度u=c/n也是虚数,意味着角频率低于ωpe的微波将被等离子体反射。反射微波的等离子体面称为临界面,该处的等离子体电子振荡频率与入射微波的角频率相同(ωpe=ω)。实验装置如图1所示。激光器(调Q-Nd:YAG)输出波长1064nm、脉宽10ns、频率10Hz的激光脉冲。激光脉冲被直角棱镜反射后经焦距为116mm的透镜聚焦于波导壁,焦斑半径大约为0.25mm,在此处产生铜等离子体。等离子体轴向大小为3～4mm,径向大小为1～2mm,等离子体存在时间大约为300ns。微波由微波发生器(HP83620B)产生,此微波发生器可产生频率为10MHz～20GHz的连续波。实验中微波经同轴电缆进入倍频器、隔离器和耦合器进入波导(BJ-320,7.112mm×3.556mm),并被此处的等离子体反射。反射波经波导、耦合器、隔离器进入混频器后,由同轴电缆送至频谱分析仪(Agilent8563EC)进行分析和测量。频谱分析仪的扫描时间为50ms,频宽为250MHz分辨率为1MHz,由于频谱分析仪的响应时间大于等离子体的存在时间,所以频谱分析仪随机地采集微波反射谱,且每产生一个等离子体时,频谱分析仪最多只记录一次反射谱。为了记录整个等离子体存在过程中对微波的反射,频谱分析仪持续记录了5min时间内的微波反射信号。图2为频谱分析仪接收到的微波信号,其中图2(a)为等离子体产生之前频谱分析仪接收到的微波信号,图2(b)为整个等离子体存在过程中微波的反射信号,此时产生等离子体的激光功率密度为4.7GW/cm2,入射波的频率为35GHz。图2中,频谱包络与横坐标的交点即对应频移的最大值。实验中频谱分析仪与激光等离子体的产生无法同步,所以频谱分析仪随机的记录微波的反射信号,图2(b)所示的结果为频谱分析仪在5min时间内累积记录的反射信号。2入射波频率对等离子体膨胀过程的影响根据激光与物质相互作用研究的结果可知:由光强具有高斯分布特征的激光脉冲产生的等离子体,其电子密度同样具有分层分布的特征,即等离子体内层电子密度高,外层电子密度低。随着等离子体的产生、膨胀到衰减熄灭,其中的每一空间点处的电子密度都经历从低到高,再逐步衰减的过程。对于某一确定的电子密度层,等离子体的膨胀过程表现为该电子密度层的快速外移;而等离子体的衰减过程则对应于该电子密度层的快速后退。因此,当用相应频率的微波探测该电子密度层时,反射波将携带正反两个方向的多普勒频移。从图2(b)中可以明显看出这一结果。图3和图4分别为等离子体膨胀过程和等离子体熄灭过程中反射波频移与激光功率密度的关系。由公式(1)可以计算出,入射波频率为35和40GHz时,对应的等离子体临界面上电子密度分别为1.519×1019m-3,1.984×1019m-3。电子密度参数随入射激光功率变化关系已有文献报道。从图3中可以看出入射波频率为35GHz时,当激光功率密度从1GW/cm2增加到6GW/cm2,反射波的最大频移值从23MHz增加到120MHz,即反射波的频移随激光功率密度的增加而增加。入射波频率为40GHz时存在同样的结论。其原因为铜靶在强激光作用下几ns内吸收激光光子的能量转化为蒸气,然后通过逆轫致吸收形成等离子体。当激光功率密度较低时,激光脉冲能量转化激光等离子体能量效率,与入射激光功率密度成正比,所以当入射激光功率密度增加时,激光等离子体吸收的能量增加,入射波临界面的动速度也相应增加,导致反射信号的频移增加,此结论与参考文献中的结论一致。从图3中还可以得到在等离子体膨胀过程中,当激光功率密度为6GW/cm2时,入射波频率为35GHz时反射波的最大频移值为120MHz,而入射波频率为40GHz时反射波的最大频移值为40MHz,即随入射波频率的增加,反射波的频移反而减小。由测量原理可知等离子体的临界面密度与入射波角频率的平方成正比,即高频率入射波对应的临界面密度高于低频率入射波对应的临界面密度。且因等离子体的内部电子密度大于外部电子密度,内部临界面在膨胀过程中受外部临界面的影响,其运动速度小于外部临界面的运动速度。所以高频率入射波的反射频移小于低频率入射波的反射频移。从图4中可以得到与图3同样的结论,即在等离子体熄灭过程中,随激光功率密度的增加,反射波频移增加;高频率微波的反射频移小于低频率微波的反射频移。以上结论与在空气中产生等离子体反射微波的情况一致。3临界面的移动本文测量了微波被激光等离子体反射时反射波的频率,通过比较发现反射波的频率不同于入射波的频率。分析其原因为等离子体在形