بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، میدان تابش تراهرتز تولید شده به وسیلهی زنش دو موج لیزر گوسی با نانوذرات که چگالی آنها در فضا مدوله شده است، مطالعه شده است. فرض شده است که محیط متشکل از نانوذرات گرافیت با دو نوع جهتگیری متفاوت E || c و E c با توزیع برابر میباشد. اندرکنش میدانهای دو لیزر موجب ایجادنیروی اثرگذار میشود که به نوبه خود سبب تولید جریان در راستای قطبش لیزرها با فرکانس زنش 1 2 میشود. با اختیار مقادیر مناسب برای فرکانس لیزرهاو نیز مدولاسیون چگالی نانوذرات، چنین جریان غیرخطی میتواند سبب ایجاد تابش تراهرتز شود. ملاحظه میشود زمانیکه فرکانس زنش تراهرتز در نزدیکی فرکانس موثر پلاسمون باشد، این تابش بیشینه میشود.
مقدمه
تابش تراهرتز که در ناحیهی طیف الکترومغناطیسی بین تابش GHz100 تاTHz - 30 گسترده شده است، فروسرخ و امواج ریز - دارای کاربردهای فراوانی در تصویربرداری پزشکی، شناسایی مواد،
اسپکتروسکوپی، اکتشاف مواد منفجره و غیره میباشد.[4-1] باتوجه به اینکه پراش دراین ناحیه فرکانسی مهم میباشد،سیستمهای تراهرتز با اسباب اپتیکی مرسوم قابل حصول نیستند. ازآنجائیکه انرژی فوتونها در ناحیه تراهرتز پائینتر از انرژی باندهای ممنوعه در مواد مرسوم مورد استفاده در دستگاههای حالت جامد و یا اختلاف انرژی ترازهای اتمی موجود در بسیاری از لیزرها می باشد، بنابراین تولید امواج تراهرتز با استفاده از اسباب الکترونیکی معمولی غیر ممکن میباشد. روشهای مختلف و جدید تولید و آشکارسازی امواج تراهرتز و نیز کاربرد این امواج در تکنولوژی روز دنیا در مراجع 5] و [6 آمده است.
یکی از روشهای تولید امواج تراهرتز استفاده از اندرکنش دو لیزر در پلاسما و یا خوشه-های اتمی باردار میباشد 7]و.[8 در این مقاله برای اولین باراستفاده از نانوذرات گرافیت برای تولید تراهرتز پیشنهاد میشود.مطالعات انجام یافته نشان میدهد که بسته به زاویهی تابش موج الکترومغناطیسی، خواص اپتیکی و نیز پارامترهای فیزیکی ازجمله چگالی الکترونهای آزاد و نیز نرخ اتلاف انرژی از طریق پراکندگی الکترونهای رسانش میتواند متفاوت باشد 9] و .[10در این مقاله محیطی از نانوذرات گرافیت با دو نوع جهت-گیری مختلف E || c و E c ، که در آن c یک محور متقارن است که عمود بر صفحات اصلی میباشد، در نظر گرفته میشود.فرض میشود که چگالی ذرات با جهتگیریهای مختلف باهم برابر بوده و با مکانیسمی این چگالی مدوله شده است. میدان تابش تراهرتز تولید شده به وسیلهی زنش دو موج لیزر گوسی پرشدت در چنین محیطی مطالعه شده است.
چگالی جریان غیرخطی
محیطی متشکل از نانوذرات گرافیت با دو نوع توزیع E || c و E c ، که در آن c یک محور متقارن عمود بر صفحات اصلی میباشد، را درنظر میگیریم و چگالی ماکروسکوپیک نانوذرات را بهصورت زیر در نظر میگیریم که در آن 4 l / 3نسبت حجم اشغال شده توسط نانوذرات به حجم فضای خالی، - rc / d - 3 rc شعاع نانوذرات، d فاصلهی بین نانوذرات، همچنین n0|| و|| n0 به-
ترتیب چگالی ابر الکترونی نانوذرات گرافیت مربوط به حالات E || c و E c میباشد. فرض میشود که نانوذرات گرافیت بادو نوع جهتگیری مختلف، به نسبت مساوی توزیع شدهاند.چگالی ماکروسکوپیک نانوذرات را به صورت زیر مدوله میکنیم که در آنq عدد موج مدولاسیون میباشد. دو موج لیزر گوسی با قطبش خطی را بهصورت زیر در نظر میگیریم که بر این محیط فرود میآیندکه در آن a0 شعاع باریکه در نقطهی کانونی میباشد. فرض می-کنیم که الکترونهای باند هدایت بهصورت یکسان با میدانهای الکترومغناطیسی لیزرها اندرکنش میکنند و یونها ساکن هستند.
میدان لیزرها سرعت نوسانی و نیز یک نیروی اثرگذار با فرکانس 21و عدد موج k2k1 k به الکترونهای هدایت نانوذرات وارد میکند. دررابطهی - 4 - ، m جرم الکترونها،ضریب میرایی مربوط به پراکندگی الکترونها و فرکانس پلاسمایی، همچنین اندیسهاس و مربوط به حالات و میباشند. با استفاده از پتانسیل اثرگذار نیروی اثرگذار ناشی از زنش دو موج به-صورت زیر بهدست میآیدکه با استفاده از معادلهی پیوستگی و معادلهی اندازه حرکت غیرخطی بهدست میآید. این اختلال چگالی یک میدان بار -فضا متناسب با پتانسیل ||, تولید میکند که یک اختلال چگالی خطی n||,L را ایجاد میکند. همچنین با استفاده از معادلهی پیوستگی خطی و معادلهی اندازه حرکت خطی الکترونها چگالی الکترونی خطی بهصورت زیر بهدست میآید:
بحث عددی
همانطور که اشاره شد، بسته به نوع جهتگیری صفحات گرافیت نسبت به میدان الکتریکی، چگالی الکترونهای آزاد و نیزضریب میرایی میتواند متفاوت باشد. با استفاده از نتایج تجربی
وتئوری موجوددر مراجع 9]و[10 مقادیر1014 s 11.5p||،1015 s 11.4 pبرای فرکانس پلاسمایی و همچنین مقادیر 1014|| و 1015را برای ضریب میرایی اختیار کردهایم. فاصلهی بین دو ذرهی مشابه،
5rc d نظرگرفته شده است. همچنین طولموج لیزرهای استفاده شده حدودا 9.4 m - متناسب با فرکانس - 2 1014 s 1میباشد، که میتوان از لیزرهای گازی دیاکسیدکربن برای این کار استفاده کرد. در شکل - 1 - دامنهی میدان تراهرتز بیبعد شده با دامنهی لیزر اولیه برحسب فرکانس تراهرتز بیبعد شده با فرکانس لانگمویر ابر الکترونی حالت موازی، در نقطهی 0.9a0y ، به
ازای شدت لیزر 1013W / cm2 و همچنین به ازای دامنههای مختلف مدولاسیون چگالی آورده شده است.
ملاحظه میشود که نزدیک فرکانس 3 2 p / ، جایی که مخرج عبارت مربوط به چگالی جریان غیرخطی در رابطهی - 11 - کمینه میشود، میدان تراهرتز بیشینه است. همچنین با افزایش دامنهی مدولاسیون چگالی، شدت میدان تراهرتز افزایش مییابد. در شکل - 2 - تغییرات میدان تراهرتز نسبت به فرکانس بهازای افزایش شدت لیزر به 1015W / cm2 نشان داده شده است. ملاحظه میشود در شرایط مساوی به ازای دو مرتبهی مقداری افزایش در شدت لیزر،دامنهی میدان تراهرتز یک مرتبهی مقداری افزایش مییابد. درشکل - 3 - تاثیر پهنای باریکهی لیزر بر تولید تراهرتز آورده شدهاست. ملاحظه میشود با افزایش پهنای باریکه بهواسطهی کم شدن شدت لیزر، توان تولید موج تراهرتز کاهش مییابد.
