بخشی از مقاله
چکیده - امواج تراهرتز در محدودهی فرکانسی 0/1 تا 30 THz، دارای کاربردهای فراوانی در اسپکتروسکوپی، زیست شناسی و علوم پزشکی، تصویربرداری و فناوری اطلاعات میباشند. لذا در این تحقیق، به بررسیِ تولید امواج تراهرتز با استفاده از برهمکنشپالس لیزرِ فمتو ثانیه و هارمونیک دوم آن با گاز، پرداخته میشود و تاثیر عواملی چون فاز اولیهی پالس لیزر، اختلاف فاز بین پالس لیزر و هارمونیک دوم آن، نوع گاز زمینه و فشار آن بر بازده تولید این امواج مورد بررسی قرار میگیرد. نتایج بدست آمده نشان میدهد که افزایشفشار گازِ زمینه، کاهش انرژی یونیزاسونِی آن، افزایش اختلاف فاز بین دو پالس لیزر و نیز افزایش فاز اولیهی پالس، منجر به بازده بیشتر تولید امواج تراهرتز میگردد.
-1 مقدمه
امواج تراهرتز در محدودهی فرکانسی 0/1 تا 30THz، دارای کاربردهای فراوانی در اسپکتروسکوپی، زیست شناسی، تصویربرداری، اندازهگیریهای غیرمخرب، کنترل کیفیت محصولات غذایی و محاسبات فوق سریع هستند .[1] اما امواج تراهرتز با شدت بالا تنها در شتابدهندههای بزرگ تولید می-شوند، این در حالی است که در ساخت منابع تراهرتز در مقیاس کوچک - رومیزی - ، پیشرفت زیادی حاصل نشده است. اساس کار این منابع، که عموماً دارای بازده پایین و محدودیت در پهنای باند تولید شده میباشند، بر optical rectification در کریستال های غیرخطی استوار است .[2]
در این میان، یونیزاسیون القایی لیزری در میدانهای لیزری نامتقارن، که با متمرکز کردن یک پالس و هارمونیک دوم آن در گاز ایجاد میگردد، روش ثانویه ای است که منجر به تولید امواج THz با شدت بالا و پهنای باند زیاد میشود .[2] لازم بذکر است که این روش با عنوان "تولید امواج تراهرتز با استفاده از برهمکنش گاز-پلاسما"1، شناخته میشود. جریانِالکترونیِ عرضی برای توجیه فرایند تولید امواج تراهرتز در برهمکنش گاز-پلاسما وجود دارد که در این میان نظریه دوم از طرفداران بیشتری برخوردار است.
.[ 3-5 ] از اینرو، در این تحقیق، با استفاده از مدل جریان الکترونیِ عرضی که در اثر متمرکز کردن پالس لیزر و یونیزاسیون گاز اتفاق میافتد، بهبررسیِبستگیِ بازده تولید امواج تراهرتز به فاز اولیهی پالس لیزر، اختلاف فاز بین پالس لیزر و هارمونیک دوم آن، نوع گاز زمینه و فشار آن میپردازیم. لازم به یادآوری است که نتایج بدست آمده از اهمیت زیادی در آزمایشات تجربی، به منظور افزایشِ بازده تولید این امواج، برخوردار است.
جهت انجام محاسبات، میدان الکتریکی پالس لیزر با استفاده از رابطهی - 1 - در هر زمان محاسبه شده و با استفاده از آن، نرخ یونیزاسیون مشخص میگردد. سپس با استفاده از این نرخ، چگالیِ الکترونها را محاسبه نموده و سپس حرکت آنها را تحت میدان الکتریکی پالس لیزر بررسی مینماییم. از آنجاییکه میدان الکتریکی بر جهت انتشار عمود است، الکترونها در طول زمانیِ پالس لیزر، حرکت عرضیای را در جهت عمود بر راستای انتشار تجربه خواهند کرد که جریان عرضیِ خالصِ ناشی از آن در هر دورهی تناوب، سبب ایجاد یک چگالیِ جریان عرضی متغیر با زمان در بازهیِ زمانی پالس لیزر میشود.
2؛-1 نتایج
میدان الکتریکیِ ناشی از برهمنهیِ دو پالس لیزر در شکل 1 به نمایش در آمده است، همانگونه که مشاهده میشود طول زمانی پالس برابر با 100 fs است. چگالیِ الکترونی و چگالیِ گاز زمینه بر حسب زمان در گاز زمینهی نیتروژن و به ازای فشارهای مختلف در شکل 2 - الف - توزیع زمانیِ این دو کمیت به ازای گازهای متفاوت در فشار 1 atm در شکل 2 - ب - دیده میشود. همانگونه که دیده گرددمی توزیع زمانیِ چگالیِ الکترونی و چگالیِ گاز زمینه دارای روندی عکس یکدیگرند.
بر حسب زمان - الف - به ازای فشارهای مختلف گاز نیتروژن و - ب - به ازای گازهای زمینهی متفاوت در فشار 1 atm بدین معنا کهافزایشبا چگالیِ الکترونی، چگالیِ گاز زمینه کاهش مییابد، تا جمع آنها در زمان برابر مقداری ثابت باشد که این مقدار ثابت همان چگالیِ اولیهی گاز زمینه است. علاوه بر اینکهمیزان چگالیِ الکترونی با افزایش فشار افزایش مییابد که این مسئله، بدلیل چگالیبیشترِ خنثیها در فشار بالاتر است. نیز چگالی الکترونی با کاهش انرژی یونیزاسیون از هلیوم به نئون، افزایش یافته و برای دو گاز آرگون و نیتروژن به دلیل مساوی بودن انرژی یونیزاسیون آنهاتقریباً، برابر است.
همان-گونه که مشخص است با افزایش اختلاف فاز، بدلیل افزایش عدم تقارن در میدان الکتریکیِ پالس لیزر،جریان عرضیِ خالص افزایش مییابد و فاز اولیه نیز با تاثیر بر سرعت اولیهی الکترونهای تولید شده، سبب افزایش جریان خالص ایجاد شده میشود.توزیع زمانیِ میدان تراهرتز تولیدی برحسب پارامترهای یاد شده در شکل 4 به نمایش درآمده است.
