Thomson散射诊断技术的新进展

Thomson散射是一种主动而无干扰地对等离子体进行诊断的方法．它能够以较高的时空分辨率测量等离子体的参数，如电子与离子温度、密度以及等离子体的膨胀速度、电离程度、热流等参数．文章从Thomson散射基本概念出发，介绍了Thomson散射诊断方法在研究激光与等离子体相互作用中的重要意义，并分别介绍了近年来Thomson散射诊断技术的新进展，如对高Z等离子体、两种离子种类的等离子体、多种形态等离子体以及高密度等离子体的研究．文章最后对国内Thomson散射诊断技术的发展状况进行了简述．     

激光等离子体中Thomson散射光谱的拟合

依据无碰撞、无磁场、麦克斯韦速度分布等离子体模型下的Thomson散射理论编写了一维Thomson散射光谱拟合程序，并考虑了等离子体中的热流引起的电子相对漂移.研究了诊断系统的谱分辨率、收集立体角、Thomson散射参数α、等离子体参数梯度和电子的相对漂移速度对Thomson光谱拟合的影响.等离子体不均匀性和有限收集立体角对参数诊断影响很小，因此可以用无梯度无收集立体角的拟合程序简化处理；实验中为了提高信号的信噪比可以适当增加收集立体角；α较小时对拟合影响很大，实验中可以通过选取散射角提高α值和精确监测等离子体密度来减小它的影响. 关键词： Thomson散射 激光等离子体 电子相对漂移     

n-SiC拉曼散射光谱的温度特性

测量了采用离子注入法得到掺N的n-SiC晶体从100—450 K的拉曼光谱. 研究了SiC一级拉曼谱、电子拉曼散射谱及二级拉曼谱的温度效应. 实验结果表明,大部分SiC一级拉曼峰会随温度升高向低波数方向移动,但声学模红移(峰值位置向低频方向移动)的幅度较光学模小. 重掺杂4H-SiC的纵光学声子等离子体激元耦合(LOPC)模频率随温度升高表现出先蓝移(峰值位置向高频方向移动)后红移的变化趋势,表明LOPC模的温度特性不仅会受到非简谐效应的影响,还与实际已离化杂质浓度有关. 电子拉曼散射峰线宽随温度升高而增 关键词： 碳化硅 温度 纵光学声子等离子体激元耦合模 电子拉曼散射     

强激光与等离子体相互作用中受激陷俘电子声波散射及相空间离子涡旋的形成

应用一维相对论电磁粒子模拟程序，研究了线性极化强激光入射到无碰撞密度均匀的次临界密度等离子体中所引起的受激陷俘电子声波散射不稳定性过程.不稳定性的早期行为与是否考虑离子动力学效应无关.当考虑离子动力学效应之后会激发一个随时间增长的离子声波，并且最终由于大振幅电磁孤立子的产生而中断.由于电磁孤立子内的静电场与电磁场所产生的离子加速与俘获效应，导致一个离子涡旋在离子相空间中形成；当电磁孤立子向后加速过程中，若干个离子涡旋结构随之形成.研究发现，离子涡旋结构同样存在于密度不均匀的次临界密度等离子体中.从拓扑的观 关键词： 粒子模拟 受激陷俘电子声波散射 电磁孤立子 离子涡旋     

利用一维Vlasov和Maxwell方程模拟激光等离子体相互作用

应用一维Vlasov和Maxwell耦合程序详细研究了激光等离子体相互作用中的基本问题——受激拉曼散射(SRS). 通过研究发现, SRS的产生与电子速度分布函数在相空间中的结构密切相关, 当电子速度分布函数形成相空间涡旋时,背向SRS光大幅增加,而当电子等离子体波相速度附近的电子速度分布函数曲线变平坦后, 背向SRS光基本停止发生. 在模拟中观测到了SRS的爆发、电子速度分布函数形成相空间涡旋、电子俘获等清晰的物理图像. 关键词： Vlasov-Maxwell模拟 受激拉曼散射     

超强激光在均匀等离子体中的背向拉曼散射放大机制

使用等离子体背向受激拉曼散射对激光进行放大时,等离子体的密度、温度和长度都会对激光的放大效果产生影响.为了探究等离子体密度对结果的影响,本文使用一维粒子模拟程序模拟了波长为800 nm的泵浦激光入射到均匀等离子体中,等离子体密度和泵浦光光强对散射光光谱的影响.模拟结果表明,等离子体密度降低会导致散射光的波长变短,而泵浦光的光强在一定范围内降低会增加散射光中背向散射光的比例.通过分析散射光的光强和等离子体的密度,发现前向拉曼散射是等离子体密度变化的原因.模拟结果对等离子体背向受激拉曼散射放大的实验研究具有重要的指导意义.     

强激光与近临界密度等离子体相互作用中的无碰撞静电冲击波产生

本文通过一维粒子模拟(particle-in-cell)方法研究了强激光与近临界密度等离子体相互作用中的弱冲击波和强冲击波产生,并讨论了非相对论和相对论光强以及等离子体密度分布区间对无碰撞冲击波形成的影响.非相对论的弱驱动光与等离子体相互作用产生的是弱冲击波.由于电子加热不充分,电子能谱呈现出双温分布.较低温度的电子对弱冲击波的形成以及质子反射加速有重要作用.弱冲击波加速质子的能谱呈连续分布.在等离子体密度上升沿区间较大时,可观察到后孤子结构向离子声波结构演化并进一步演化为弱冲击波结构的过程.在相对论的强驱动光强下,电子加热比较充分可达到相对论温度,且呈现出单温分布.进一步分析密度分布区间大小对冲击波形成的影响时发现:1)当等离子体密度上升沿区间较大时,离子声波的势垒易被热电子屏蔽且离子声波结构在传输的过程中容易被后续的激光破坏而无法演化为无碰撞冲击波;2)当等离子密度分布区间较小时,离子声波中加速电场的有效距离(即德拜长度)和持续时间更长,这导致其结构在传输过程中更加稳定.当离子声波中加速的质子与靶后鞘层场加速的质子之间的速度差满足无碰撞冲击波的离子反射条件时,离子声波进一步演化为强...     

激光波长对拉曼散射水温遥感系统测温精度及探测深度的影响

机载激光拉曼散射雷达技术可以快速获取次表层海水温度的三维分布,具有重要的实用价值和经济价值.首先,从理论上分析了水的伸缩振动拉曼谱峰值位置和半高全宽与激发波长之间的对应关系,发现随着激发波长的增大,拉曼峰逐渐向长波方向移动,且拉曼光谱半高全宽显著增大.然后,实验测量了不同温度下450 nm激光和532 nm激光激发的水的拉曼光谱,对比验证了上述理论分析结果.并采用单高斯峰拟合法分析了两组拉曼光谱,拟合出高斯峰峰值位置与温度之间的关系,分析了激发波长对温度测量精度的影响.研究发现,采用较长波长的激发光可以提高拉曼光谱的测量精度,从而改善测温精度.最后,建立了拉曼散射雷达方程,分析了拉曼散射系数与激光波长之间的关系,研究了激光波长对雷达系统探测深度的影响.结果表明,激光波长对雷达系统探测深度有很大的影响,采用480 nm以下波长的激光时雷达系统探测深度较大,而采用长波段激光时雷达系统探测深度会大幅降低.实际系统设计中选取激光光源时需要综合考虑上述两方面的影响.     

Comptonɢ��Լ�����������йⳡ�͵����ܶȷֲ���Ӱ��

应用电子和多光子集团非弹性碰撞模型和冷等离子体模型，研究了飞秒强激光与线性等离子体发生多光子非线性Compton散射时，散射激光与入射激光形成的飞秒耦合激光场对线性等离子体层中光场和电子密度分布的影响。研究发现，在耦合激光的有质动力作用下，电子密度分布和离子密度分布比Compton散射前的偏离更加严重，电子密度的变化比离子密度的变化更快，产生的静电场更强。即使耦合激光场非常弱，电子的运动仍表现出相对论效应，仍有静电场存在。     

Compton散射下离子初始速度对等离子体鞘层厚度的影响

应用相对论理论、Compton散射等离子体离子源和龙格-库塔方法,研究了Compton散射对等离子体鞘层厚度的影响,提出了Compton散射等离子体离子源概念,并将入射光和Compton散射光作为形成等离子体离子初始速度的新机制,给出了Compton散射下鞘层空间内电位梯度随等离子体离子初始速度变化的修正方程,并进行了数值模拟.结果表明,与Compton散射前相比,Compton散射使等离子体鞘层厚度随加速电压增大而明显的非线性增大,这主要是由于Compton散射使离子与电子碰撞频率增大,电子温度升高,使离子初始速度和能量增大的缘故.     

Thomson scattering measurements of saturated ion waves in laser fusion plasmas

We have measured the characteristics of saturated ion-acoustic waves in inertial confinement fusion plasmas. A 263-nm probe laser has been applied to simultaneous Thomson scatter on both ion-acoustic waves excited by thermal electrostatic fluctuations and by stimulated Brillouin scattering of a kilojoule laser beam of varying intensity. The Thomson scattering spectra show saturated ion-wave amplitudes for intensities above 5x10(14) W cm(-2) consistent with three dimensional nonlinear wave modeling.     

Post-solitons and electron vortices generated by femtosecond intense laser interacting with uniform near-critical-density plasmas

Generation of nonlinear structures, such as stimulated Raman side scattering waves, post-solitons and electron vortices, during ultra-short intense laser pulse transportation in near-critical-density (NCD) plasmas is studied by using multi-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations. In two-dimensional geometries, both P- and S-polarized laser pulses are used to drive these nonlinear structures and to check the polarization effects on them. In the S-polarized case, the scattered waves can be captured by surrounding plasmas leading to the generation of post-solitons, while the main pulse excites convective electric currents leading to the formation of electron vortices through Kelvin-Helmholtz instability (KHI). In the P-polarized case, the scattered waves dissipate their energy by heating surrounding plasmas. Electron vortices are excited due to the hosing instability of the drive laser. These polarization dependent physical processes are reproduced in two different planes perpendicular to the laser propagation direction in three-dimensional simulation with linearly polarized laser driver. The current work provides inspiration for future experiments of laser-NCD plasma interactions.     

软X射线激光汤姆逊散射实验尝试

汤姆逊散射是诊断高温稠密等离子体状态参数的重要方法之一, 受到广泛的关注. 但是目前用于进行汤姆逊散射的探针光波长多局限于可见光或紫外光, 能够诊断的区域电子密度远低于驱动激光的临界密度. 相比较而言, 以软X射线激光作为探针, 有希望诊断更高密度区域的等离子体. 利用“神光Ⅱ”高功率激光装置产生的类氖锗软X射线激光作为探针, 开展了软X射线激光汤姆逊散射实验的尝试. 根据散射的条件, 分别进行了非相干散射和相干散射的实验, 但均未能获得明显的散射谱. 理论分析表明, 主要原因可能是实验中作为探针的类氖锗软 X射线激光的聚焦功率密度不够, 通过优化实验条件, 有希望在今后的研究中获得相干汤姆逊散射的结果. 关键词： 等离子体诊断 软X 射线激光 汤姆逊散射     

非Maxwell电子速度分布对受激散射的影响

从考虑动理学效应的受激散射不稳定性的线性理论出发,对于n=2的Maxwell分布函数直到n=5的饱和情况的超高斯分布函数,计算了电子等离子体波和离子声波的频率和阻尼率。对受激喇曼散射和受激布里渊散射进行分析,结果表明,在激光高Z等离子体中,或者在具有激光热斑的中等Z等离子体中,电子等离子体波的阻尼率降低很多,离子声波的频率比Maxwell分布情况升高约15%。这些结果可和实验进行比较。     

Observation of the parametric two-ion decay instability with thomson scattering

We present the first direct experimental observation of the parametric two-ion decay instability of ion-acoustic waves driven by a high intensity (5 x 10(15) W cm(-2)) laser beam in a laser produced high-Z plasma. Using two separate Thomson scattering diagnostics simultaneously, we directly measure the scattering from thermal ion-acoustic fluctuations, the primary ion waves that are driven to large amplitudes by the high intensity beam, and the two-ion decay products. The decay products are shown to be present only where the interaction takes place and their k spectrum is broad.     

Effect of nonlocal transport on heat-wave propagation

We present the first direct measurements of spatially and temporally resolved temperature and density profiles produced by nonlocal transport in a laser plasma. Absolutely calibrated measurements have been performed by Rayleigh scattering and by resolving the ion-acoustic wave spectra across the plasma volume with Thomson scattering. We find that the electron temperature and density profiles disagree with flux-limited models, but are consistent with nonlocal transport modeling.     

激光等离子体受激Raman散射光谱的时间分辨测量

采用光学多道谱仪和光学条纹相机耦合,组成时间分辨的Raman散射光谱测量系统,可实现0.5nm的光谱分辨和好于10ps的时间分辨。采用该测量系统,在神光Ⅱ装置上开展了脉宽1ns、波长351nm的激光与两种不同尺寸柱腔靶相互作用的物理实验,获得了时间分辨的SRS光谱实验结果。研究表明,SRS光谱在时间上相对于入射激光有一定的延迟,腔靶尺寸减小时,延迟时间随之减小。通过长、短波截止波长分析电子密度方法,计算得出了Ⅰ型和Ⅱ型腔靶SRS散射光最短波长光谱发生的密度区分别为0.069nc和0.027nc。     

Measurements of nonlinear growth of ion-acoustic waves in two-ion-species plasmas with thomson scattering

We report the first Thomson-scattering measurements of the growth of ion-acoustic waves in well-characterized multi-ion-species plasmas consisting of gold and beryllium. We observe that only the berylliumlike mode grows, verifying linear kinetic theory. In addition, a twofold increase in ion temperature is measured when ion-acoustic waves are excited to large amplitudes by stimulated Brillouin scattering (SBS). This increase in ion temperature is a strong indication of hot ions due to trapping. We explain the measured SBS reflectivity by nonlinear detuning of the SBS instability due to these trapping effects.