激光等离子体相互作用的数值模拟

 基于激光等离子体相互作用的复杂物理过程的数学模型，采用PIC方法分别研究了P极化和S极化非均匀短脉冲强激光入射均匀分布的稠密等离子体时引起的空泡、成丝等物理现象。模拟了激光脉冲在真空中的3维传播形貌。由3维密度分布图发现：激光产生的巨大的有质动力向两侧推动粒子，形成等离子体密度通道；当激光脉冲入射等离子体区域后，纵向加速的电子速度峰值出现在电流峰值处。     

超强激光等离子体中钻孔效应的二维粒子模拟

 当非均匀超短脉冲强激光照射均匀分布的过稠密等离子体时, 相对论效应导致电子质量增大,相对论电子等离子体频率减小,激光能更深地进入等离子体产生强烈吸收。由于入射激光的径向不均匀性,钻孔效应显著。通过二维粒子模拟结果清晰地观察到了等离子体通道的产生。     

激光脉冲对内层等离子体辐射源的影响

本文的基本思想是设计双层金铝薄膜靶以检测激光脉冲宽度与等离子体消融深度的关系,找出有效的等离子体加热方法以产生更强更亮的等离子体辐射源.由于有预脉冲激光的存在,表层金薄膜首先被消融,由主脉冲携带的大能量就能较易穿过表层金等离子体将能量聚焦在内层铝靶上,由此产生内层高温等离子体.又由于外层低温等离子体存在,其将有效的阻碍内高温等离子体因膨胀而引起的能量损失.对无预脉冲而言,直接入射激光能量都沉积在靶表层形成表层高温等离子体.但是激光直接入射而产生的等离子体辐射总强度只比由预脉冲情况下产生的金等离子体辐射强度增加15%.而预脉冲能量只占激光总能量的2%.实验结果显示Al光谱线主要来自类氢,类氦离子跃迁.Au等离子体光谱线主要来自它的N带,O带和P带谱.我们也观察到一个明显的软X射线短波发射极限.所有结果显示由于预脉冲的存在将对靶各层等离子体辐射产生极大的影响     

强激光与稠密等离子体作用引起的冲击波加速离子的研究

用二维PIC（Particle-in-Cell）程序模拟研究了强激光与稠密等离子体靶作用产生的无碰撞静电冲击波的结构和这种冲击波对离子的加速过程,研究发现由于冲击波前沿附近的双极电场的作用,具有一定初速度的离子能被该双极场俘获并获得加速,最终能够被加速到两倍冲击波速度.冲击波加速可以得到准单能的离子能谱,叠加在通过鞘层加速机理产生的宽度离子能谱上.还对不同激光强度和不同等离子体密度情况下形成的冲击波进行了比较.研究表明,强度相对较低的激光在高密度等离子体中可以产生以一定速度传播的静电孤波结构,后者只能加速 关键词： 强激光 稠密等离子体 无碰撞静电冲击波 离子加速     

相对论效应对激光在等离子体中的共振吸收的影响

采用一维粒子模拟(PIC)方法，研究了相对论效应对P偏振激光斜入射非均匀等离子体时产生的共振吸收的影响. 计算表明，弱相对论情况下，在临界面附近产生的电子等离子体波的相对论非线性效应占主要作用；随着入射光场的逐渐增大，吸收率逐渐降低. 当入射光强超过3.7×10¹⁷W/cm²时，由于超短激光脉冲本身在等离子体中产生相对论效应、等离子体波破裂效应，以及参量不稳定过程激发等，吸收系数随着激光强度又开始增加. 固定等离子体密度标长，取不同的激光入射角、电子初始温度，相对论效应对吸收系数的影响是一致的. 关键词： 激光等离子体 相对论效应 共振吸收 粒子模拟     

斜辐照激光等离子体辐射X光子特性

 在神光Ⅱ高功率激光装置上,实验研究了激光斜辐照形成的激光等离子体辐射X射线光子的特性及真空喷射热等离子体流的方向。采用针孔X射线相机测量了钕玻璃激光（基频1.053 μm）辐照铝靶形成的激光铝等离子体辐射的X射线光子的空间分布,并针对正入射和入射激光斜辐照情况下测得的X射线光子量及特性进行了分析和比较。结果发现：入射激光斜辐照固体平面靶产生的向真空喷射热等离子体流的方向是垂直靶面（即法线方向）;正入射和斜入射激光叠加驱动靶时,一定程度上能改善激光辐照的均匀性,但等离子体源辐射的X射线光子数并未发现显著地增加;当激光斜辐照与靶相互作用时,激光能量被等离子体吸收下降。     

次稠密等离子体对激光与锥形靶相互作用的影响

利用三维粒子模拟程序模拟了强激光在锥形靶内的传播情况.发现锥内次稠密等离子体的存在使激光在锥顶部的最大聚焦强度有所降低，产生的相对论电子的最大能量和数目增加.激光在锥壁激发起强的电流和磁场，次稠密的存在还使锥内产生强的准静态磁场，磁场的存在使相对论电子速度分布在垂直激光传播方向上表现出各向同性. 关键词： 超强激光脉冲 锥形靶 快点火 粒子模拟     

激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟

研制了激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟程序(2DCIC)。追踪几万甚至百万个模拟粒子在外加激光场和自洽场中运动,自洽地计算电荷和电流密度,求解完全的Maxwel方程,电子的相对论运动方程和离子的牛顿运动方程,辅以灵活的诊断研究波-波,波-粒子相互作用的发生、发展和饱和的细节以及时间演化规律。激光可以正入射,也可以斜入射;等离子体可以是均匀密度,也可以具有密度梯度;为了节约机时,还发展了并行运算。物理模型参数可调,既适用于研究激光聚变等离子体相互作用,也适用于超短脉冲超强激光等离子体相互作用和其它等离子体问题。经过多次试算检验,对等离子体平衡态进行了计算研究,对于超短脉冲超强激光的传播也进行了初步模拟计算。     

稀薄等离子体中激发尾波场的共振条件

研究了在稀薄等离子体中强激光激发尾波场的情况 ,发现尾波场的激发与入射激光的脉冲宽度有共振现象。在光强很小情况下 ,共振所需要的入射激光脉冲宽度为λp 2 ,随着光强的增大共振激光脉冲宽度减小。同时发现在稀薄等离子体中激发的尾波势场与等离子体的密度几乎无关 ,而激发的尾波场最大电场强度与等离子体的密度有关。     

近共振区超短强激光脉冲激发的等离子体尾波场

 用一维相对论粒子模拟研究了相对论超短强激光脉冲在等离子体中传播时激发的尾波场，初步获得了近共振区尾波场的峰值幅度随激光脉冲宽度变化的特点，发现在近共振区等离子体波激发出现增强。通过准静态近似下尾波激发的一维非线性方程数值求解，并与粒子模拟结果比较，得到了该非线性方程的适用范围：当激光脉冲宽度小于等离子体波波长的4倍时，该方程所得结果与粒子模拟结果一致；而当激光脉冲宽度大于该数值时，该方程不再适用。     

不同激光等离子体条件下的阿秒光脉冲产生

通过一维粒子模拟研究了利用相对论少周期强激光与固体密度等离子体表面相互作用实现单个孤立阿秒光脉冲产生的参数条件。主要研究描述相互作用的多维参数,如激光强度、入射角和等离子体标尺长度等,对相对论高次谐波能量转换效率和孤立阿秒光脉冲分离度的影响。研究发现,虽然激光等离子体参数对阿秒光脉冲产生的影响是复杂的,但是存在着能够实现大能量孤立阿秒光脉冲的最佳等离子体标尺长度和最佳入射角。当其他相互作用条件确定时,使用中等强度的相对论强激光可以在较宽的参数范围内实现孤立的阿秒光脉冲。大角度入射时,孤立阿秒光脉冲的分离度较高,能够实现孤立阿秒光脉冲的相互作用参数范围也较宽。     

超短脉冲强激光与等离子体的非线性相互作用

超短脉冲强光与等离子体相互作用是近年来令人注目的一个前沿领域。介绍了其中的超短脉冲强激光与非稠密等离子体作用中的激光尾波场与尾波场加速器、光脉冲频率上转换与脉宽正缩、相对论光导等重要研究课题。还介绍了超短脉冲强激光与固体靶作用听吸收机制，短标尺长等离子体产生、能量输运等有关问题的研究。     

激光驱动薄膜产生等离子体射流的条件分析

 以聚乙烯薄膜材料为研究对象,从实验物态方程出发,对强激光驱动薄膜材料时影响激光在薄膜后表面形成等离子体射流的主要因素,包括激光强度、波长、脉宽、气库膜材料及厚度,进行了理论和数值分析。研究表明,到达薄膜后表面的冲击波强度足够高时,能够产生气态或等离子体射流,否则卸载过程仍然为凝聚态;对于聚乙烯材料,形成等离子体射流的基本条件是到达薄膜后表面的冲击波强度达到约80 GPa以上;采用短波长、较高功率密度、较长激光脉宽的激光驱动具有低汽化温度、低电离阈值的薄靶,更容易实现等离子体射流。     

交叉传播激光脉冲与等离子体相互作用产生的等离子体密度光栅

理论上研究了两束交叉传播的激光束与等离子体相互作用产生的电子和离子密度调制. 用一维粒子模拟程序(particle-in-cell,PIC)研究了两束激光脉冲产生的干涉场激发的等离子体布拉格光栅. 研究表明等离子体初始密度、脉冲强度和宽度共同影响等离子体布拉格光栅的演化. 光栅的密度峰值可以达到初始等离子体密度的8倍以上,并且可以维持几皮秒的时间. 等离子体布拉格光栅可以囚禁由受激拉曼散射形成的电磁孤子,从而形成准稳态的孤子结构,很大程度上降低了形成电磁孤子所要求的激光脉冲强度. 关键词： 等离子体布拉格光栅 电磁孤子 交叉传播激光束 粒子模拟     

稀薄等离子体中激发尾波场的共振动条件

研究了在稀薄等离子体中强激光激发尾波场的情况，发现尾波场的激发与入射激光的脉冲宽度有共振现象。在光强很小情况下，共振所需要的入射激光脉冲宽度度为λp/2，随着光强的增大共振激光脉冲宽度减小。同时发现在稀薄等离子体中激发的尾波势场与等离子体的密度几乎无关，而激发的尾波场最大电场强度与等离子体的密度有关。     

真空中脉冲激光烧蚀铝等离子体发射光谱及粒子速度研究

利用Q开关Nd:YAG激光器产生的1.06 μm倍频后532 nm、脉宽10 ns的脉冲激光聚焦在置于真空室中铝靶上,观测激光诱导的铝等离子体发射光谱.采用不同的激光能量,分析了波长范围为350 nm到400 nm的空间、时间分辨发射光谱.在局部热力学平衡(LTE)条件近似下,根据谱线的相对强度,计算得到等离子体电子温度,给出了靶面附近电子温度的空间、时间演化规律;根据谱线半宽,计算等离子体电子密度,并给出了靶面附近电子密度的空间与时间演化规律;在靶面正前方处放置动能探测器,记录粒子飞行时间信号,观测不同激光强度烧蚀铝靶产生等离子体中三种粒子到达探测器的时间,计算得出等离子体中三种观测到的粒子喷射速度.     

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     

超短超强激光在稀薄等离子体中的自聚焦传输

 开展超短超强激光与次稠密等离子体相互作用实验,采用探针光对激光等离子体相互作用区域进行阴影成像,研究了不同激光功率与临界功率比值及不同激光脉冲长度与等离子体波波长比值下的激光在次稠密等离子体中的自聚焦传输。结果表明:相对论效应是超短脉冲在次稠密等离子体中的主要自聚焦机制,激光功率与临界功率比值是影响超短脉冲在次稠密等离子体中形成自聚焦的关键条件。     

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.     

激光等离子体能量角分布及吸收定标律

主要研究激光平面靶等离子体发射能量角分布及吸收定标律。实验利用高斯型1.06μm激光脉冲,其能量为2～50J,脉冲宽度为0.3～2.2ns,靶面平均辐照强度为1.8×1013～1.1x10~(15)W/cm~2,光束以25°角入射。实验采用了Au、Ag、Ti、Al和C_8H_8等厚靶。用等离子体卡计测量靶面吸收的激光能量。用指数函数拟合实验数据,给出了吸收效率分别作为激光强度、脉冲宽度和靶材料原子序数的函数的定标关系式。这些关系式定性地与逆轫致吸收的理论关系式相一致。