[发明专利]基于太赫兹时域光谱的等离子体密度测量方法

说明书

本发明涉及一种基于太赫兹时域光谱的等离子体密度测量方法，包括：利用太赫兹时域光谱系统分别测量无等离子体时的参考时域光谱和有等离子体时的样品时域光谱；对参考时域光谱和样品时域光谱分别进行傅立叶变换，得到对应的参考频谱和样品频谱；根据样品频谱与参考频谱的相位差和频谱幅度之比，结合等离子体的厚度，确定等离子体的介电常数的实部；基于等离子体的介电常数的实部，计算等离子体密度。本发明能够实现等离子体密度无接触式实时测量，可以为等离子体研究提供重要的参数输入与技术支持。

技术领域

本发明涉及等离子体密度测量技术领域，尤其涉及一种基于太赫兹时域光谱的等离子体密度测量方法。

背景技术

电磁波在传播过程中遇到等离子体鞘套时，因被吸收而衰减，并出现偏折、延时、相移等效应，情况严重时出现“黑障”。“黑障”的出现给高速飞行器的测控通信带来极大的困难。等离子体之所以可对雷达波隐身，根本原因在于微波波段电磁波的电场加速等离子体中带电粒子，带电粒子和中性粒子发生碰撞，从而转移微波电磁波的能量。

初步研究表明，不同密度的等离子体对电磁波的吸收效果不同，由此可见，研究电磁波与等离子体的相互作用的一个重要参量，即等离子体密度。因此，实时、准确地测量等离子体密度显得尤为重要。并且，由于等离子体密度的分布大多数是不均匀的，对等离子体空间分布的测量，也是定量研究等离子体与电磁波相互作用的一个必要条件。

目前，现有的等离子体密度测量方法通常依赖探针，探针本身在测量过程中接触等离子体，可能影响测量结果的准确性，且对于大面积/区域的等离子体的局部测量，较为耗时、耗力。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术难以快速、准确、无接触地测量等离子体密度的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于太赫兹时域光谱的等离子体密度测量方法，包括如下步骤：

S1、利用太赫兹时域光谱系统分别测量无等离子体时的参考时域光谱和有等离子体时的样品时域光谱；

S2、对参考时域光谱和样品时域光谱分别进行傅立叶变换，得到对应的参考频谱和样品频谱，以及相应的相位；

S3、根据样品频谱与参考频谱的相位差和频谱幅度之比，结合等离子体的厚度，确定等离子体的介电常数的实部；

S4、基于等离子体的介电常数的实部，计算等离子体密度。

优选地，所述步骤S3中，确定等离子体的介电常数的实部时，先根据等离子体的厚度d、样品频谱与参考频谱的相位差Δφ，以及样品频谱与参考频谱的频谱幅度之比ρ，计算等离子体的折射率n和吸收系数κ，表达式为：

其中，c表示光速，ω表示探测的太赫兹波角频率；

再根据等离子体的折射率n和吸收系数κ，计算等离子体的介电常数的实部，表达式为：

ε_r＝n²-κ²。

优选地，所述步骤S4中，计算等离子体密度时，表达式为：

其中，n_e表示电子密度，ε₀表示真空介电常量，m_e表示电子质量，e表示电子电荷量，ν_m表示弹性碰撞频率，电子密度n_e等于等离子体密度。

优选地，所述步骤S4中，计算等离子体密度时，弹性碰撞频率ν_m的表达式为：