超短脉冲强激光等离子体中的参量调制与电磁辐射

摘要

高能量超强超短脉冲激光的出现，迅速地推动了惯性约束核聚变(ICF)研究的发展。ICF“快点火”概念的提出，使超强超短脉冲激光与等离子体的相互作用研究成为世界各强国极度关注的焦点。在以军事武器装备、国防安全为目的的巨资投入、探索创新研究的带动下，形成了学术界强场物理、强场化学、极端条件产生等当今国际上相对独立的三个重大研究前沿。近二十年的研究进展速度惊人，并开始步入应用。物质在强激光场作用下发生电离是上述三大前沿领域在研究中必遇的共性现象，通常将激光电离产生的等离子体视为完全离化的带电粒子，相互作用体系所有的线性与非线性物理过程本质上是由激光电磁场和等离子体静电场支配。但在实际的相互作用中，尤其是在高Z物质靶产生的等离子体中，靶原子却难以完全电离。部分离化的原子(离子)在激光场作用下必然发生极化，从而产生极化场。原子极化场(束缚电子相关)及其与激光电磁场、等离子体静电场(自由电子相关)在相互耦合中的竞争如何修改相互作用研究的已有结果以及将导致什么新的物理现象，是人们关注的热点。另外，等离子体是一种无损伤阈值的特殊物质形态，带电粒子复杂的运动会导致各种形式的电磁辐射，通过超短强激光脉冲对等离子体的激励作用来产生人们极力寻找的高功率电磁辐射源，尤其是高功率太赫兹(THz)辐射源，成为人们关注的焦点。本学位论文正是针对上述两个方面开展理论研究： 1．推导出强激光脉冲在部分离化等离子体中传播时的群速度和相速度，在相互作用过程中光子数守恒的假设下，研究了部分剥离原子极化对激光脉冲的自聚焦、光子加速、纵向压缩、以及调制不稳定性等物理现象的非线性作用。结果表明，在部分离化等离子体中，激光脉冲的自聚焦和光子加速比完全离化等离子体中要快得多，同时，原子极化场的存在，会在部分离化等离子体中形成正常色散和反常色散的竞争，从而导致通常的脉冲纵向压缩和调制不稳定性现象发生大的变化； 2．从激光在等离子体中传播的色散关系出发，针对原子或部分剥离原子(离子)在强激光场作用下的电离问题，讨论了电离过程对激光频率的调制作用。我们发现，气体原子在激光场中的电离快慢，决定介电函数的响应速率，从而也决定了电离对激光脉冲频率产生调制的快慢，在部分离化等离子体中，激光频率越高，部分离化原子的极化对激光频率蓝移的贡献也越大； 3．从麦克斯韦方程组和流体方程出发，采用微扰理论研究了强激光脉冲与部分离化等离子体相互作用产生的准静态磁场，讨论了部分剥离原子极化场对准静态自生磁场的修正。结果显示，在高密度部分离化等离子体中，当激光频率较高时，原子极化场的存在会使回旋自生磁场大大增强，尤其重要的是会导致磁场方向的改变，这将引起超热电子输运的散束现象，对超热电子“快点火，J极为不利； 4．根据达朗伯方程，探索了超短强激光脉冲在等离子体中诱导THz辐射的可能性，找出了THz辐射产生的条件。研究表明，通过超短激光脉冲驱动的等离子体电流，在激光脉冲群速度大于辐射波相速度的条件下可以产生强THz电磁辐射，辐射频率约为激光脉宽的倒数量级； 5．从强激光脉冲作用下等离子体的介电函数出发，通过对激光产生快电子的Cherenkov辐射的研究，发现了THz波发射的另一种产生途径。结果证明，在快电子速度略小于激光脉冲群速度时，能够产生Cherenkov型强THz电磁辐射。 本学位论文的主要创新为： 1．揭示了部分剥离原子的极化场对激光一等离子体中准静态自生磁场的重要修正作用，尤其是极化场会改变自生磁场方向的结论属首次报道； 2．揭示了部分剥离原子的极化在相互作用中对激光脉冲的参量调制规律； 3．从理论上证明了强激光脉冲在等离子体中能够诱导高功率THz电磁辐射，并给出了THz辐射产生的条件。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1超短脉冲强激光等离子体的研究现状

1.1.1超快激光技术的发展

1.1.2强激光与等离子体相互作用

1.1.3强激光等离子体的重要应用

1.2部分离化原子的极化作用

1.3激光等离子体中的电磁辐射

1.4本文的主要研究内容

第2章激光-等离子体耦合的基本方程

2.1引言

2.2激光-等离子体相互作用的基本方程

2.2.1相互作用的一般运动方程

2.2.2动力学方程

2.2.3流体方程

2.3激光在等离子体中的传播

2.3.1传播方程

2.3.2有质动力对等离子体的作用

2.3.3参量不稳定性

2.4等离子体中的主要能量吸收

2.4.1逆轫致吸收

2.4.2反常吸收机制

第3章脉冲激光在部分离化等离子体中传播的非线性效应

3.1引言

3.2脉冲激光传播的相速度和群速度

3.3参量的非线性演变

3.3.1激光自聚焦

3.3.2光子加速

3.3.3脉冲的纵向压缩

3.4调制不稳定性

3.5本章小结

第4章原子电离对激光频率的调制

4.1引言

4.2基本方程

4.3原子在激光场中的电离

4.4原子电离对激光频率的调制

4.5本章小结

第5章强激光作用下原子极化对等离子体自生磁场的修正

5.1引言

5.2基本方程

5.3自生磁场的产生

5.4数值结果与分析

5.5本章小结

第6章等离子体中激光诱导的THz辐射

6.1引言

6.2基本方程

6.3数值结果

6.4辐射机制

6.5本章小结

第7章等离子体中快电子诱发的Cherenkov辐射

7.1引言

7.2介电函数

7.3辐射方程

7.4 Cherenkov效应

7.5本章小结

第8章总结

参考文献

附录

攻读博士学位期间参与科研项目与发表论文

致谢