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.     

高强度激光与等离子体相互作用中的受激Raman级联散射、光子凝聚以及大振幅电磁孤立子的产生与加速

应用一维相对论电磁粒子模拟程序，详细研究了线性极化强激光入射到无碰撞稀疏密度长等离子体中引起的受激Raman散射、Raman级联散射、级联散射到光子凝聚、以及大振幅电磁孤立子的产生与加速. 通过研究发现：在适当的激光振幅和等离子体状态下，强的光子凝聚现象会导致大振幅电磁孤立子的产生，电磁孤立子可以以静止、向后以及向前加速的形式存在；在密度均匀的等离子体中，电磁孤立子的加速不仅依赖于激光振幅而且依赖于等离子体的长度；电磁孤立子的电磁频率大约为未扰动电子等离子体振荡频率的二分之一左右，孤立子内电磁场的电场具有半周期结构，相应电磁场的磁场以及静电场则具有一个完整的周期结构. 关键词： 粒子模拟 受激Raman散射 Raman级联散射 光子凝聚 电磁孤立子     

超短超强激光与气体靶相互作用中的背向受激Raman散射

 实验诊断测量了超短超强激光与气体靶相互作用产生的背向受激Raman散射,在实验条件下呈现强耦合模式,背向受激Raman散射出现非线性Stokes多峰伴线结构,峰值的频率间隔小于等离子体波的频率,可以大致地推断出激光打靶过程中产生的等离子体密度偏低,其结果与等离子体强耦合理论计算结果一致。     

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。     

非均匀等离子体中1/4临界密度附近受激散射的非线性演化

本文采用粒子模拟方法,针对长脉冲激光在非均匀等离子体中的传输过程,特别是在1/4临界密度附近,等离子体中受激散射的非线性演化现象,进行了细致的模拟研究.研究结果表明:在1/4临界面附近所产生的受激拉曼散射不稳定性,其散射光在等离子体中被捕获,并在该区域形成电磁孤子.电磁孤子的振幅随着不稳定性的发展而提高,并由此而产生一个有质动力场驱动周围的电子运动,离子随后被电荷分离场加速,最终形成准中性的密度坑.在单个密度坑形成后,由于该密度坑周围等离子体密度和温度产生了变化,使得等离子体中逐渐形成更多的密度坑.这些密度坑将等离子体分割成不连续的密度分布,而这种密度分布最终明显地抑制了受激拉曼散射和受激布里渊散射不稳定性的发展.     

激光汤姆逊散射技术诊断辐射加热Fe/Al等离子体状态

在神光Ⅱ激光装置上,利用激光加热金腔产生的X射线辐射场加热Fe/Al样品,随后用激光探针光入射Fe/Al等离子体并在90°散射方向采集散射光谱,同时也记录下了样品的自发辐射光谱。实验观察到了清晰的散射光谱以及Fe等离子体自发辐射光谱,诊断结果表明,Fe/Al等离子体的平均电子温度为360eV,Fe的平均电离度为18.8。     

超强激光与等离子体作用中的能量输运

应用多光子非线性Compton散射模型和数值计算方法,研究了Compton散射对超强激光与等离子体作用中能量输运的影响,提出了将Compton散射光和入射超强光作为电子能量输运的新机制,给出了电子热传导新模型和能量输运数值计算结果。结果表明:散射使等离子体中Weibel不稳定性和自生磁场增强效应导致耦合光传输方向的电子密度显著减小,更多激光能量以热流形式分布在横向方向。散射使电子吸收能量的时间缩短和自生磁场线性阶段最大增长率增大效应导致等离子体表面处沿耦合激光横向方向的热流几乎被完全限制,电子在激光传输方向的能量显著增加。     

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     

1．053μm激光在腔靶中产生的非线性过程

波长１．０５３μｍ、脉宽约１ｎｓ、能量３００～６００Ｊ激光在亚毫米的腔靶中可以产生十分丰富的非线性过程。我们直接测量了受激Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ散射、受激Ｒａｍａｎ散射：通过谐波间接测量了共振吸收、离子声衰变和双等离子体衰变。其中受激Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ散射和受激Ｒａｍａｎ散射是腔靶中的主要非线性过程，它散射掉约４０％的入射光能量。激光激发的电子等离子体波是产生超热电子的根源，产生电子等离子体波的非线性过程是受激Ｒａｍａｎ散射、双等离子体衰变、共振吸收和离子声衰变。其中受激Ｒａｍａｎ散射是激发电子等离子体波的主要过程，它产生约占入射激光能量１０％的超热电子。各非线性过程发射的光谱与激光参数和等离子体状态有密切关系，仔细测量和研究这些谱的特性可以获得等离子体温度、密度的信息。     

光学材料中横向SBS的稳态分析

 从非线性光学的耦合波理论出发，建立了种子光入射的窄带泵浦的横向受激布里渊散射的二维理论模型，并对稳态情形进行了数值模拟，得到了散射光强的二维分布。计算表明，散射光场在入射面内呈现出“局部集中”的特点，而且由于“空间压缩”效应，使得获得的最大散射光强远大于初始泵浦光强。还分析了光场及材料参数对获得的散射光强的影响，得出：入射的激光功率密度越大，光学元件的横向尺寸越长，材料的吸收系数越小，受激散射产生的散射光和弹性声波强度就越大，在材料内部引起的应力也越强，从而越有可能造成材料的破坏。     

激光入射双层等离子体靶产生的表面等离子体波及应用

表面等离子体波的存在可以显著改变激光与等离子体的耦合效率,这在激光驱动粒子加速、强X射线产生、温稠密物质态等领域研究有重要应用.本文利用二维粒子模拟程序,研究了强激光入射双层等离子体靶激发的表面等离子体波.模拟结果表明,不同于单层靶情形,大角度入射的强激光脉冲达到一定强度阈值后,可驱动等离子体表面中的电子形成周期结构,激发静电波,其波长与入射波波长相近,传播速度接近光速;表明双层等离子体更有利于表面波的激发,传播范围更大;双层靶的表面波强度与入射激光强度的比值明显不同于单层靶的理论结果,呈现非线性关系;表面波的存在可以显著增强后续激光脉冲的透射,使后续激光脉冲突破稠密等离子体形成的“黑障”,在远高于临界密度的薄靶后被观察到.     

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应用电子与多光子集团非线性Compton散射模型,将入射和散射光作为离子的传输机制,研究了Compton散射下多束相干强耦合激光等离子体中离子的运动,给出了相对论离子动力学方程,并进行了数值模拟。研究发现,散射使光的传播速度减小,系统的矢势和标势增大,由入射和散射光形成的多束相干强耦合激光能使质子加速到5.40GeV的能量,而耦合轴向电场在其中起着关键作用。     

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。     

Compton散射下等离子体中的离子加速

应用电子与多光子集团非线性Compton散射模型,将入射和散射光作为离子的传输机制,研究了Compton散射下多束相干强耦合激光等离子体中离子的运动,给出了相对论离子动力学方程,并进行了数值模拟。研究发现,散射使光的传播速度减小,系统的矢势和标势增大,由入射和散射光形成的多束相干强耦合激光能使质子加速到5.40GeV的能量,而耦合轴向电场在其中起着关键作用。     

共振吸收的自洽场结构和密度轮廓分布

 用二维多时标全电磁相对论粒子模拟程序，对斜入射P极化强激光与具有线性密度分布的非均匀等离子体平板相互作用中的共振吸收进行了模拟计算，给出了冕区自洽场的结构和等离子体密度轮廓分布，粒子模拟结果观察到了临界面附近等离子体波的激发、等离子体密度轮廓的变陡和空穴的产生。     

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。     

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     

Compton散射下超强激光等离子体中的坍塌

应用强场理论、多光子非线性Compton散射模型和场论方法,对非线性Compton散射对超强激光在等离子体中坍塌的影响进行了理论分析,提出了将入射超强激光和多光子非线性Compton散射光作为超强激光在等离子体中坍塌的新机制,通过构造超强激光非线性控制方程的拉格朗日密度函数,给出了激光包络尺度变化的修正方程.结果表明:多光子非线性Compton散射加剧了激光包络调制不稳定性的非线性发展及物质密度局部稀化形成密度空穴的进程,使横等离激元和局部场强迅速增强,从而导致初始均匀分布激光场的剧烈坍塌.     

Compton散射对短脉冲强激光在次临界等离子体中自聚焦的影响

应用相对论理论和多光子非线性Compton散射模型,研究了Compton散射对短脉冲强激光在次临界等离子体中自聚焦的影响,提出了将入射光和Compton散射光作为形成激光自聚焦的新机制,给出了三级电流密度满足的修正方程,并进行了数值模拟。结果表明,相对论效应使等离子体中的短脉冲强激光自聚焦趋势减缓,而散射则加速了自聚焦的发展,总自聚焦趋势比无相对论时来得快一些,主要原因是由于散射光和入射光形成的耦合光频率较入射光频率增大,散射效应补偿了因相对论效应引起的自聚焦减缓效应的缘故。     

核物理与等离子体物理学科研究进展

1 理论物理 1．1 等离子体物理 深入开展了激光等离子体相互作用理论研究。为了模拟和研究激光与大尺度黑腔等离子体相互作用问题，分析了激光入射场、散射波场和离子声波的传播的耦合关系，考虑动力学效应，提出了描述自聚焦、受激散射非线性演化的耦合模型，完成流体程序的物理方案；研究了SRS时空演化机制，发现一些新物理现象；对超强激光与超高密度等离子体作用问题进行模拟，研究了高能电子、单能离子产生的新特征。