相位反射产生的激光场空洞现象及其与激光等离子体参数相关性研究

理论研究和数值模拟研究表明激光在等离子体中诱导的等离子体密度调制可以起类似布拉格反射镜的作用，使得后面的入射光在等离子体平均密度远低于临界密度的区域就对入射光产生相位反射.相位反射的发生会影响激光在等离子体中的传播，例如激光在等离子体中相对传播时会出现激光场空洞现象.进一步的理论和数值模拟研究表明，相位反射持续发生的时间以及反射率的高低与等离子体的密度、等离子体区域的长度、激光强度以及脉宽等因素密切相关，这些都会对激光在等离子体中的传输产生影响. 关键词： 相位反射 密度调制 激光等离子体 粒子模拟     

强激光与亚临界密度等离子体相互作用中的近前向散射驱动光子加速机制

通过二维粒子模拟(particle-in-cell)方法研究了强激光与亚临界密度等离子体相互作用中的近前向光子加速机制.该机制利用强激光在亚临界密度气体传输过程中的电离效应产生在纵向和横向上密度分布不均匀的电子等离子体.在纵向上,入射激光电离氦气产生一个陡峭的电子密度前沿分布.在密度前沿处,入射激光与电子等离子体波作用发生近前向散射.散射光频率较激光频率增大,在频谱中产生了第一个特征峰.在横向上,密度不均匀造成电子等离子体波具有不同的相速度并与入射激光相互作用,使入射激光发生近前向散射,在频谱中产生了第2个特征峰.由于密度分布的不均匀性较电子等离子体波的密度扰动大得多,因此基于微扰理论的散射模型和色散关系,如受激拉曼散射,无法解释频谱中两个特征峰的出现.进一步研究发现:在密度不均匀的情况下,入射激光、电子等离子体波和散射光三者之间仍满足动量和能量守恒的三波耦合关系.这能够解释两个特征峰对应的频率和强度增长过程.该研究对于强激光在亚临界密度气体传输过程中的频谱演化具有重要参考意义.     

亚密度冷等离子体的低功率激光吸收特性分析

当电子密度远低于入射小功率激光所对应的临界密度时,冷等离子体对激光的吸收特性与高密度热等离子体将有很大的差别。在亚密度冷等离子体中,电子与中性粒子间的碰撞将占主导地位,对应的频率远大于电子-离子碰撞频率,这使得碰撞吸收本质发生了变化。亚密度等离子体的电子密度和碰撞频率均较小,它在单位长度传输路径内对常用的工作在可见光、红外波段内的小功率激光的碰撞吸收可以忽略不计。但是对于非正常吸收机制的影响尚需深入研究。     

面向激光等离子体尾波加速的毛细管放电实验研究

具有合适径向密度分布的等离子体通道可以用于超短超强激光导引,这使得等离子体通道在激光尾波加速中有着重要的应用.本文介绍了在上海交通大学激光等离子体实验室开展的毛细管放电和光导引实验.通过光谱展宽法测量了充氦气的放电毛细管中的等离子体密度分布,在长度为3 cm、内径为300μm的毛细管中实现了轴向均匀,径向呈抛物线型的等离子体密度分布.通过改变放电延时和喷气时长,确定和优化了产生等离子体通道的参数区间,得到的最大通道深度为28μm,与实验中使用的激光焦斑半径匹配.在此基础之上,开展了不同能量的激光脉冲在放电等离子体通道中的导引研究,结果发现当通道深度与焦斑半径匹配时,激光可以不散焦地在通道中传输,实现激光导引.这项研究为未来的激光尾波级联加速和锁相加速等研究奠定了基础.     

无碰撞等离子体中电子束流不稳定性的时空演化

强激光在冕区等离子体中传播到临界面附近生成相对论电子和相对论电子束流在随后较长一段稠密等离子体区的能量传输是快点火中的关键问题。对快点火条件下的激光等离子体参数，临界面附近产生的前向快电子电流往往超过阿尔芬极限电流，必须在稠密等离子体中产生中和回流，快电子流才能在稠密等离子体中向前输运。横向电磁不稳定性（类Weibel不稳定性，WI）和纵向静电双流不稳定性（TSI）很容易在这种电子双流体系中激发，前向电子束会被调制或成丝状结构，同时激发电磁场，粒子部分动能会转化为电磁场能量。不稳定性在非线性饱和后，发生电流丝的合并、磁场重联等过程，部分电磁场能量会再转化为粒子能量，表现为对离子体的横向加热。Weibel不稳定性的作用可能形成围绕传播电子束的磁通道，对快电子的定向和准直传播是重要的。TSI激发的纵向静电场对磁场通道会有明显的调制甚至破坏作用，直接影响高能电子流从激光吸收区到燃料压缩区的准直传播。     

近场研究表面等离子体在银纳米线上的传输

通过双探针近场光学扫描显微镜在银纳米线上实现近场激发和近场收集表面等离子体,用一个探针在银纳米线的一端近场激发表面等离子体,另一个探针近场探测银纳米线上的表面等离子体强度分布,得到强度分布图.强度分布图显示表面等离子体在银纳米线的一端被有效激发并且有一部分表面等离子体沿着银纳米线和基底的界面传播到了另一端.用有限元法对银纳米线内的传播模式进行数值模拟,结果显示银纳米线内存在两种表面等离子体传播模式,分别为基模和高阶模.沿着银纳米线和基底介质之间传输的基模表面等离子体由于传输环境稳定,散射损耗小,实际传输长度接近模式传输长度,达10μm以上;而高阶模表面等离子体由于部分裸露在空气中受表面缺陷散射的影响,散射损耗大,实际传输长度远小于模式传输长度.研究表明:以能量高度束缚的基模表面等离子体作为载体,不仅可以实现低损耗传输,还可以减小集成器件之间的信号串扰,有效提高信息传输的安全性,在集成光学中具有重要应用.     

Compton散射下超强激光等离子体通道的演化

应用多光子非线性Compton散射模型、空间动态补偿模型、非线性薛定谔方程和数值模拟方法,研究了Compton散射对超强飞秒激光等离子体中通道的影响,提出了将Compton散射光作为形成等离子体通道的新机制,给出了超强飞秒激光脉冲在等离子体中传播和电子密度随时间变化的非线性修正方程,并进行了数值模拟。并研究发现：散射使等离子体中电子密度峰值增大1个量级,半径增大1mm。激光最大功率密度被限制在1018W/m2以下,随传输距离增大缓慢衰减。传输初始阶段,单脉冲衰减能量较散射前增大2%,之后衰减较平缓。通过增加超强飞秒激光脉冲输入功率,能有效地增加电子密度峰值,有利于等离子体通道的形成。并对所的结论给出了初步物理解释。     

超强激光-等离子体相互作用过程中的辐射阻尼效应

基于包含辐射阻尼效应的电子运动方程,通过坐标变换,分析了圆极化和线极化超强激光在等离子体中传播时,辐射阻尼效应对电子运动的影响。结果表明:两种极化情况下,辐射阻尼效应都随等离子体密度的增大而增强;在圆极化激光中,激光强度在1023~1026 W/cm2范围(对应于不同的等离子体密度)时,辐射阻尼效应将对电子的运动产生显著的反作用,而对于线极化激光,只有当激光强度远大于极限光强时,辐射阻尼效应才对电子的运动有明显的作用。     

Compton散射下超强激光等离子体通道的演化

应用多光子非线性Compton散射模型、空间动态补偿模型、非线性薛定谔方程和数值模拟方法,研究了Compton散射对超强飞秒激光等离子体中通道的影响,提出了将Compton散射光作为形成等离子体通道的新机制,给出了超强飞秒激光脉冲在等离子体中传播和电子密度随时间变化的非线性修正方程,并进行了数值模拟.研究发现:散射使等离子体中电子密度峰值增大1个量级,半径增大1 mm.激光最大功率密度被限制在10~(18)W/m~2以下,随传输距离增大缓慢衰减.传输初始阶段,单脉冲衰减能量较散射前增大2%,之后衰减较平缓.通过增加超强飞秒激光脉冲输入功率,能有效地增加电子密度峰值,有利于等离子体通道的形成.并对所的结论给出了初步物理解释.     

强激光辐照非均匀等离子体引起临界点密度变陡

本文在临界密度区域内激光场趋于零的假设下,系统地研究了由强激光辐照非均匀等离子体引起临界密度变陡的现象,给出了较为精确、完备的描述等离子体密度结构的各种参数和等离子体密度的坪台结构。     

Nonlinear propagation of an intense Laguerre–Gaussian laser pulse in a plasma channel

The nonlinear propagation of an intense Laguerre–Gaussian(LG) laser pulse in a parabolic preformed plasma channel is analyzed by means of the variational method. The evolution equation of the spot size is derived including the effects of relativistic self-focusing, preformed channel focusing, and ponderomotive self-channeling. The parametric conditions of the LG laser pulse and plasma channel for propagating with constant spot size, periodically focusing and defocusing oscillation,catastrophic focusing, and solitary waves are obtained. Compared with the laser pulse with fundamental Gaussian(FG)mode, it is found that the effect of vacuum diffraction is reduced by half and the effects of relativistic and wakefield focusing are decreased by a quarter due to the hollow transverse intensity profile of the LG laser pulse, while the effect of channel focusing is the same order of magnitude with that of the FG laser pulse. Thus, the matched condition for the intense LG laser pulse with constant spot size is released obviously, while the parameters of the laser and plasma for the existence of solitary waves nearly coincide with those of the FG laser pulse.     

周期量级超短激光脉冲在近临界密度等离子体中形成的光孤子

利用一维粒子模拟程序，观测到周期量级的超短激光脉冲在等离子体中可以以孤子形式传播.它在一定密度等离子体中以较高的群速度向前传播，并在到达等离子体与真空界面时发生反射和透射.当入射激光脉冲强度增大时，非线性调制效应使它产生较大的频率下移，致使光孤子传播速度变小.另外，对于同样光强下的几十个周期以上的光脉冲，它在等离子体中传播时形成的则是一连串低频的被捕获在等离子体中的光孤子. 关键词： 光孤子 超短激光脉冲 等离子体 粒子模拟     

飞秒强激光脉冲在等离子体中的自压缩

文章从激光等离子体相互作用的非线性薛定谔方程出发,理论研究了飞秒强激光脉冲在等离子体中的自压缩行为.结果表明在一定范围内随着激光脉冲宽度、激光强度的增大以及等离子体密度的减小,飞秒强激光脉冲在等离子体中传播的自压缩现象越明显.另外通过适当设定参量得到了近似稳定传播的基孤子.     

超短激光脉冲在等离子体中的分裂以及类孤子结构的形成

用一维粒子模拟研究了超短脉冲在等离子体中传播时产生的光孤子结构以及由此形成的脉冲分裂现象，比较了不同峰值强度和脉冲宽度对形成光孤子以及脉冲传播方式的影响.研究表明: 脉冲宽度在若干个到十几个振荡周期的超短脉冲在等离子体中可能形成高速传播的光孤子；脉冲宽度增加和强度增大两种方式都可以使得孤子结构的传播速度减慢,且由于高阶孤子的衰变使得初始激光脉冲在等离子体中发生分裂，形成两个以不同速度向前传播的孤子结构.由孤子阶数的理论计算可较好地预言激光脉冲在等离子体中分裂的子脉冲数. 关键词： 光孤子 超短激光脉冲 等离子体 粒子模拟     

The effect of plasma channel on the self-distortion of laser pulse propagating through the collisional plasma channel

In the present paper, laser pulse distortion/breakup and the effect of the plasma channel on the laser propagation through the collisional plasma have been studied by using moment theory approach. Second order nonlinear differential equations of the beam width parameter have been derived for the propagation of the laser through uniform homogenous plasma and preformed plasma channel having parabolic density profile. Differential equations of beam width parameter have been solved numerically using Runge Kutta method. It has been observed from analysis that when the laser pulse propagates through the homogenous plasma, the low intensity front and rear parts of the laser get defocused/diffracted and the high intensity central/main portion of the laser pulse gets self-guided. As a result of this, the laser pulse gets distorted. This distortion of the laser has not been observed when the laser pulse is propagated through the plasma channel having density minimum at the axis and maximum at the edges. The laser pulse is guided as a whole, even the low intensity front and rear parts of the laser are also guided. Therefore, the plasma channel is useful to prevent the distortion/breakup of the laser.     

THz Radiation Generation via the Interaction of Ultra‐short Laser Pulses with the Molecular Hydrogen Plasma

In this paper, a two dimensional Particle In Cell‐Monte Carlo Collision simulation scheme is used to examine the THz generation via the interaction of high intensity ultra‐short laser pulses with an underdense molecular hydrogen plasma slab. The influences of plasma density, laser pulse duration and its intensity on the induced plasma current density and the subsequent effects on the generated THz signal characteristics are studied. It is observed that the induced current density in the plasma medium and THz spectral intensity are increased at the higher laser pulse intensities, laser pulse durations and plasma densities. Moreover, the generated THz electric field amplitude is reduced at the higher laser pulse durations. A wider frequency range for the generated THz signal is shown at the lower laser pulse durations and higher plasma densities. Additionally, it is found that the induced current density in hydrogen plasma medium is the dominant factor influencing the generation of THz pulse radiation. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

超相对论激光和稠密等离子体作用产生阿秒脉冲的优化

利用一维粒子模拟程序研究了超相对论激光脉冲与稠密等离子体相互作用得到的阿秒脉冲.从超相对论近似的角度分析了电子运动行为和高次谐波的产生,发现当等离子体密度一定时,随着无量纲相似参数S的减小,阿秒脉冲的转换效率呈先增大后减小的趋势,因此选择适当的光强就可以得到转换效率较高的阿秒脉冲.当S一定时,随着等离子体密度的增加,阿秒脉冲转换效率有增大的趋势.这说明用适当的光强照射更稠密度的等离子体靶面,可以产生更强的阿秒脉冲.     

等离子体通道的声学诊断方法

超短脉冲强激光在空气中传输可以形成很长的等离子体通道，目前对这种等离子体通道有许多诊断方法，文章介绍了一种十分简易但很有效的方法——声学测量方法．该方法可以根据通道不同位置的声音信号，测量通道的长度和通道内电子密度等一些参数，具有其他传统诊断方法无可比拟的优越性．     

用声学诊断方法测量激光等离子体通道的长度与电子密度

用声学诊断方法对超短脉冲强激光在空气中传输形成的等离子体通道进行了测量，根据通道不同位置的声音信号，得到了通道的长度和通道内电子密度等信息. 关键词： 声学测量 等离子体通道     

超短超强脉冲激光在空气中产生的电离通道的寿命研究

对超短超强激光脉冲在大气中传播时形成的电离通道的寿命进行了理论研究.综合考虑了通道中自由电子，正离子，负离子的复合，自由电子和中性分子的吸附以及在后续 激光作用下的退吸附过程.推导出了退吸附激光强度恒定时通道中带电离子密度的速率方程 的解析解.计算结果表明，通过引入退吸附激光抑制电子和中性分子的吸附作用能够在微秒 的时间尺度上将电子密度维持在10¹²—10¹³cm^-3的水平，在相同的波长 和平均功率下，短脉冲序列的退吸附效果要略好于连续激光 关键词： 等离子体通道 复合 吸附 退吸附 寿命