基于激光驱动的等离子体高压源以及等离子体光栅动力学粒子模拟研究
发布时间：2020-02-08 11:15
【摘要】：自从1960年世界上第一台激光器面世以来,激光技术经历了飞速的发展,比如从上世纪60年代的调Q和锁模技术发展到80年代的啁啾脉冲放大技术,再到90年代的光学参量啁啾脉冲放大技术等等,相应的激光强度I也从刚开始的104～105 W·cm-2发展到现在的1022 W·cm-2,激光脉冲宽度从纳秒量级压缩到飞秒量级。这为激光与物质相互作用的研究提供了广阔的发展空间。一般而言,足够强的激光束照射在靶材上会使其中的原子发生电离从而产生等离子体,作为强场物理的一个重要研究方向,激光和等离子体相互作用包含着丰富的物理现象,如相对论自聚焦、真空加热、反常趋肤效应、激光诱导等离子体透明、等离子体尾波和高次谐波的产生等等。另外在应用方面,我们还可以利用强激光束和等离子体相互作用来实现激光驱动的固体靶动高压加载、带电粒子加速和惯性约束聚变等等。本文主要利用粒子模拟方法(Particle In Cell,PIC)对以下的几个问题进行了系统的研究:1.强激光驱动下稠密等离子体(粒子数密度n～1028 m-3)薄靶后表面压强的动力学演化。在研究过程中我们提出了激光加载等离子体获取极端高压的"能量压缩机制"。在这种机制的指导下,我们对激光和等离子体参数进行了一系列优化后发现,利用现有强激光(I～1015W·cm-2)可以获得TPa量级的极端高压。研究表明,整个高压产生过程可以分成四个阶段:(1)电子从激光场获取能量;(2)激光和获得能量的电子向靶后传播;(3)电子驱动离子加热并促使靶后表面压强向峰值演化;(4)压强卸载。2.两束相向传播的紫外激光脉冲(波长λ = 0.266 μm,相应的等离子体临界密度nc = 1.576 × 1028 m-3)在稀薄等离子体(n～0.01nc)中干涉可形成等离子体光栅。计算表明,当等离子体初始密度n0较大时(比如n0= 4.25 × 10-2nc),形成的光栅是稳定型光栅;当n0较小时(比如n0 =4.25 ×10-4nc),形成的光栅是振动型光栅。稳定型光栅表现为总的粒子数密度在空间上具有周期性,而振动型光栅则表现为电子数密度在时间和空间上的周期性。从形成机制来看,二者形成的本质区别是电子-离子间相互作用强度不同。对于稳定型光栅,相互作用较强,电子的运动能够有效带动离子与之同步,而对于振动型光栅,电子-离子相互作用较弱,离子几乎不动,电子在在离子周围做朗缪尔振动。另外,我们还发现,振动型光栅经过长时间的演化后会有能量在10eV左右的超热电子产生。3.红外激光与等离子体光栅相互作用研究。研究发现:(1)在合适的激光强度下(比如I = 1×1014W·cm-2),红外激光能够增强稳定型光栅的密度调制程度,对振动型光栅则没有相应的效应;(2)稳定型光栅对入射激光的能量吸收率远大于振动型光栅;(3)稳定型光栅和振动型光栅均能够提高等离子体-中性气体混合物的电离率,稳定型光栅导致的电离率快速增强主要是由于它和激光相互作用期间对激光能量具有很大的吸收率,而振动型光栅导致的电离率增强则是在激光离开等离子体之后的缓慢增加,这是电子与离子相互作用长时间累积导致的结果。
【图文】：
光的输出功率也相对较低，对应的Ｑ值较大。输出，物理学家想到＾个可行的思路；首先通Ｑ的值，使得发生激光振荡的反转粒子数阔的粒子数ＡｉＶ将会大幅度提高，当发生能级反和的时候，瞬间调节品质因子Ｑ到很大的值，低到很小，这样，数量巨大的处于高能级的粒迁从而发生激光振荡，输出峰值功率很高的脉和原理（图］．１）。逡逑
逦—■邋ｒ逡逑图１．２：经过锁模处理后激光强度时间演化图口７］，其中２ｎ邋＋邋１二７。逡逑７似曲线像如图１．２所示，从图上可Ｗ看出，由于振幅被调制，在时间轴上逡逑部分时间段的振幅被压缩得很小，而部分时间段的振幅被放大，图中只画出两逡逑个脉冲，随着时间的演化，会有相同的脉冲不断地出现，同时当振荡模式数目逡逑（２ｎ邋＋邋ｌ）X椉邮保穹谎顾醯氖奔淝涞穆龀迩慷然嵩嚼丛叫。穹糯箦义系氖奔淝渎龀迩慷然嵩嚼丛酱螅闭竦茨Ｊ阶愎欢嗍保穹黄に跚穆龀邋义锨慷惹饔诹悖穹糯笄蚯慷惹髯犹囟す馄鞑问碌募笾怠ｅ义仙鲜黾次＜际醯脑砘澳康乃冢ü＜际酰桑子行а顾跫ゅ义瞎饴龀蹇矶龋笔孤龀宸逯倒β试龃螅淠康母鳎鸭际跤行┫嗨啤５鳎鸭煎义鲜跏沟眉す饴龀宸逯倒β蚀锏搅苏淄叩牧考
本文编号：2577496
【图文】：
光的输出功率也相对较低，对应的Ｑ值较大。输出，物理学家想到＾个可行的思路；首先通Ｑ的值，使得发生激光振荡的反转粒子数阔的粒子数ＡｉＶ将会大幅度提高，当发生能级反和的时候，瞬间调节品质因子Ｑ到很大的值，低到很小，这样，数量巨大的处于高能级的粒迁从而发生激光振荡，输出峰值功率很高的脉和原理（图］．１）。逡逑
逦—■邋ｒ逡逑图１．２：经过锁模处理后激光强度时间演化图口７］，其中２ｎ邋＋邋１二７。逡逑７似曲线像如图１．２所示，从图上可Ｗ看出，由于振幅被调制，在时间轴上逡逑部分时间段的振幅被压缩得很小，而部分时间段的振幅被放大，图中只画出两逡逑个脉冲，随着时间的演化，会有相同的脉冲不断地出现，同时当振荡模式数目逡逑（２ｎ邋＋邋ｌ）X椉邮保穹谎顾醯氖奔淝涞穆龀迩慷然嵩嚼丛叫。穹糯箦义系氖奔淝渎龀迩慷然嵩嚼丛酱螅闭竦茨Ｊ阶愎欢嗍保穹黄に跚穆龀邋义锨慷惹饔诹悖穹糯笄蚯慷惹髯犹囟す馄鞑问碌募笾怠ｅ义仙鲜黾次＜际醯脑砘澳康乃冢ü＜际酰桑子行а顾跫ゅ义瞎饴龀蹇矶龋笔孤龀宸逯倒β试龃螅淠康母鳎鸭际跤行┫嗨啤５鳎鸭煎义鲜跏沟眉す饴龀宸逯倒β蚀锏搅苏淄叩牧考
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