一维瞬态辐射传输的有限元法模拟

随着超短脉冲激光的快速发展,吸收散射性介质内的瞬态辐射传输引起了人们的广泛关注.本文基于离散坐标法和最小二乘有限元法(LSFEM),提出了模拟多维吸收散射性介质内瞬态辐射传输的数值模型.该模型有效地克服了在标准Galerkin有限元法(GFEM)中发生的伪振荡现象,在时间步长较大的情况下仍然可以得到光滑无振荡的解.而且,最小二乘法产生的求解系数矩阵是对称正定的,与GFEM中的系数矩阵相比,仅需要存储一半的非零系数,可以应用许多高效的迭代求解方法进行求解.为了检验模型,本文研究了一维吸收散射性介质内瞬态辐射传输问题,其结果与蒙特卡洛法(MCM)和积分模型法(IE)的结果进行了比较,结果证实:本文的方法可以精确、高效地模拟参与性介质内的瞬态辐射传输.     

散射性介质瞬态矢量辐射传输的蒙特卡洛模拟

瞬态效应和偏振特性对于短脉冲激光在散射性介质中的传输有重要影响。本文采用蒙特卡洛法来求解一维散射性介质内的瞬态偏振辐射传输问题。采用拒绝法确定光束的散射方向。定义了瞬态矢量辐射传输矩阵(TVRTM)来描述瞬态偏振辐射的传输特性,并以此得到了Stokes矢量的角度与时间分布。在蒙特卡洛模型中采用时间平移和叠加原理,可大幅度提高计算精度和计算效率。     

LARED集成程序辐射输运模拟的性能优化

分析定位高置信度辐射传输数值模拟效率瓶颈,针对物理模型和数值离散格式的特点,优化求解算法和程序设计,改进激光聚变二维总体LARED集成程序,提高输运建模模拟黑腔靶实验模型的计算效率：在相同的并行计算条件下,辐射输运方程离散求解计算效率提高2倍以上,全过程整体模拟计算时间减半.     

短脉冲激光与介质相互作用的扩散模型

推导了扩散近似方程,通过半无限大均匀介质计算,用扩散理论分析解验证了数值方法的有效性.模拟了光在非均匀介质内的传输过程,给出了介质内光通量随时间变化的空间分布.结果表明,该基于扩散模型的数值方法能够模拟短脉冲光在强散射介质中的传播过程以及漫散射光的时间变化特性,并且借助于光通量空间分布能够准确模拟非均匀介质内内含物的位置.     

多维梯度折射率介质内辐射传递的扩散近似

推导多维梯度折射率介质内稳态辐射传递的扩散近似方程.使用有限元法对扩散近似进行离散和求解,利用两个二维半透明介质的稳态辐射传递问题验证该扩散近似的精度及适用性.算例考虑介质为均匀折射率及梯度折射率两种情况.利用扩散近似分别求解辐射平衡时的边界热流、介质内温度场分布,并与辐射传递方程的求解结果进行对比分析.结果表明:介质折射率变化、散射特性、光学厚度及散射反照率均直接影响扩散近似的精度;在光学厚及强散射条件下,该扩散近似可以作为一种快速算法应用于梯度折射率介质稳态辐射传递的求解.     

非均匀散射层矢量辐射传输(VRT)方程高阶散射解的迭代法

将散射介质层在z轴方向划分成薄层，用薄层的一阶散射强度、Fourier变换和迭代方法求解散射介质整层的矢量辐射传输(VRT)方程的高阶散射解.该方法将一阶散射与高阶散射迭代结合起来，计算公式简明，可计算高阶迭代解，计算时间少.计算结果与一层均匀散射介质的VRT方程一阶Mueller矩阵解、半空间均匀散射介质二阶Mueller矩阵解、以及离散坐标-特征值特征矢量法的VRT热辐射的数值解作了全面的比较.提出并讨论了非均匀散射层主动与被动VRT方程的高阶解.本计算程序可以通用于非球形粒子多层结构及非均匀介质的散射和热辐射计算. 关键词： VRT方程 分层 迭代解     

球谐函数法求解辐射传输方程的假散射和射线效应

假散射和射线效应是辐射传输方程近似解法中出现的特有误差.从辐射传输方程的近似求解过程出发,在定性分析的基础上构造物理模型,通过数值模拟研究球谐函数法(P₁和P₃近似法)的假散射和射线效应.构造激光平行入射和倾斜入射二维半透明介质的物理模型,通过内部温度场的分布特征研究假散射.构造顶部侧面保持高温而其余侧面保持低温的二维半透明介质方案,通过对比底面边界净热流密度分析射线效应.计算结果表明球谐函数法中同时存在假散射和射线效应,P₃近似比P₁近似减小了射线效应.同时,球谐函数法的射线效应随光学厚度的增加而减小.     

超短脉冲激光在二维非均匀介质内的瞬态辐射传输

随着超短脉冲激光的快速发展,吸收散射性介质内的瞬态辐射传输引起了广泛的关注.本文采用最小二乘有限元法模拟了超短脉冲激光局部入射条件下,具有高散射核的二维非均匀介质内的瞬态辐射传输.研究了不同边界位置上反射和透射信号随时间的变化情况.结果表明,对于具有高散射核的非均匀介质,能够揭示散射核位置的双峰现象可能在早期的反射信号中发生,早期的反射信号比后期的、经过介质衰减后信号更重要.因此,在利用短脉冲激光进行光谱分析和成像等技术中,人们应该重视早期反射信号的测量.     

基于频域辐射传输模型的光学成像研究

本文以超短脉冲激光照射参与性介质的光学成像为研究背景,分别构建了短脉冲激光在参与性介质内的频域辐射传输正问题模型和根据边界探测所得频域信号重建介质内部光学参数的逆问题模型。在瞬态辐射传输方程的基础上,利用傅里叶变换得到频域辐射传输方程,采用有限体积法求解频域传输方程,模拟超短脉冲激光在二维参与性介质内传输的过程,得到介质边界的出射频域辐射信号。选取共轭梯度法作为反演算法,采用伴随差分模型求解目标函数梯度,重建了二维非均匀参与性介质内不同位置内含物的光学参数分布。结果表明,基于频域辐射传输方程的伴随差分模型能够较为准确地反演多维参与性介质内的光学参数。     

辐射扩散计算方法若干研究进展

辐射流体力学研究辐射的传输对流体运动的影响,并在此条件下研究流体的运动规律.实际应用问题中辐射流体力学所描述的是非常复杂的物理过程,数值模拟是主要的研究手段之一.模拟通常采用流体计算和辐射计算分裂求解的方法.讨论求解辐射扩散方程时迫切需要解决的一些计算方法问题,包括大变形网格上扩散计算格式与非线性迭代方法,并简要介绍部分研究进展.     

Determination of optical characteristics of biological tissues by temporal distribution of an ultrashort laser pulse passed through homogeneous scattering layer

The determination of optical characteristics of biological tissues by the temporal distribution of an ultrashort laser pulse passed through a homogeneous scattering layer is considered. Four nonstationary models used to describe passing of laser pulses through a highly scattering medium are compared for the first time. The domains of applicability for the diffusion models are determined. It has been shown that the determination of optical characteristics of highly scattering media by experimental temporal distributions leads to different numerical values depending on the used model. Nevertheless, any of these models can be used because the performed study does not permit one to give preference to any of them. However, in determining optical characteristics of the scattering samples, it is necessary to specify the used model, as well as the conditions under which the initial experimental data (in particular, the thickness of the layer of a studied sample) are obtained.     

Multiple time scales in diffraction measurements of diffusive surface relaxation

We grew SrTiO3 on SrTiO3(001) by pulsed laser deposition, using x-ray scattering to monitor the growth in real time. The time-resolved small-angle scattering exhibits a well-defined length scale associated with the spacing between unit-cell high surface features. This length scale imposes a discrete spectrum of Fourier components and rate constants upon the diffusion equation solution, evident in multiple exponential relaxation of the "anti-Bragg" diffracted intensity. An Arrhenius analysis of measured rate constants confirms that they originate from a single activation energy.     

应用弹性振子点阵模型数值模拟表面带裂痕材料中的激光激发声表面波

本文将激光等效为垂直力源,建立弹性振子点阵模型,并采用数值模拟的方法对线源激光在金属材料中所产生超声及其传播进行了研究,着重针对有无裂痕材料表面上接收到的波形进行了对比和分析。该方法特别适合处理边界问题,因此也易于处理有缺陷材料中的激光超声问题。     

Diffusion-controlled photoprocesses on chemically modified porous silica

Photoprocesses involving organic luminophores adsorbed on the surface of wide-porous silica chemically modified with n-alkyl hydrocarbons with different chain lengths are studied upon cw and pulsed laser excitation. The results of the study are interpreted within the framework of a diffusion model of acceleration of the exchange-resonance processes of triplet-triplet energy transfer and triplet-triplet homo-and hetero-annihilation of the interacting molecules.     

锥形激光等离子体中Compton 散射对电子的加速

应用相对论性电子与光子非弹性碰撞模型和经典相对论电动力学理论,结合锥形飞秒强激光等离子体中的光场特性和静电场能,分析、计算了入射的高能电子束与等离子体中的光子发生多光子非线性Compton散射时对电子的加速效应,发现等离子体中的光场会引起电子加速能量的振荡;等离子体中的静电场降低电子的加速效应。用高能电子束与锥形飞秒强激光等离子体中的光子发生双光子非线性Compton散射,是加速电子最为理想的情况。     

A New Scheme for High‐Intensity Laser‐Driven Electron Acceleration in a Plasma

We propose a new approach to high‐intensity relativistic laser‐driven electron acceleration in a plasma. Here, we demonstrate that a plasma wave generated by a stimulated forward‐scattering of an incident laser pulse can be in the longest acceleration phase with injected relativistic beam electrons. This is why the plasma wave has the maximum amplification coefficient which is determined by the acceleration time and the breakdown (overturn) electric field in which the acceleration of the injected beam electrons occurs. We must note that for the longest acceleration phase the relativity of the injected beam electrons plays a crucial role in our scheme. We estimate qualitatively the acceleration parameters of relativistic electrons in the field of a plasma wave generated at the stimulated forward‐scattering of a high‐intensity laser pulse in a plasma. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

基于激光尾场加速的自反射式全光汤姆孙散射的参数优化

基于激光尾场加速的全光汤姆孙散射能够提供高质量X射线束并大大减小装置的尺寸.与分光式相比,自反射式的构架可以降低实验的时空同步难度,但是由于激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程耦合, X射线优化难度大,目前缺乏参数优化的相关报道.本文用数值模拟修正解析理论的方法,定量分析了激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程中激光和电子束的焦斑、脉宽、能量等参数变化情况,并给出了激光在等离子体镜上的反射率,从而实现了用解析公式计算而非数值模拟跟踪参数变化,在保证精度的同时节约了计算时间.另外,利用修正后的公式优化了给定激光条件下的自反射式全光汤姆孙散射X射线,通过改变等离子体密度和等离子体镜位置这两个参数给出了最优X射线亮度和光子产额,该方法为将来结合人工智能优化控制全光汤姆孙散射光源提供了理论基础.     

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的理论模型和数值分析

窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器在非线性频率变换、遥感探测和量子信息等领域有广泛的应用前景.综合考虑受激拉曼散射(stimulated Raman scattering,SRS)、受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)、自相位调制(self-phase modulation)和交叉相位调制(cross-phase modulation)等非线性效应,建立了窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的非线性动力学模型.仿真分析了放大器中脉冲激光的时频演化特性,对比研究了抽运脉冲宽度、光纤长度和信号光功率等因素对放大器性能的影响.研究发现,上述因素会影响放大器的SRS阈值、SBS阈值、输出激光线宽、激光转换效率等.例如,当脉冲宽度为800 ns时,SBS随着抽运功率的增加而发生,限制了激光功率的提升;减短抽运脉宽可以抑制SBS,但是输出激光的线宽易于展宽到数百MHz以上;增加光纤长度可以获得更低的SRS阈值和更高的转换效率,但是SBS效应和光谱展宽程度也随之增强.系统搭建中需要平衡各非线性效应,选择合适的系统参数.研究内容可以为窄线宽纳秒脉冲光纤拉曼放大器的设计搭建提供参考.     

基于数值方法的激光海面漫反射通信能量分布特性

 针对激光点对点通信方式的不足,提出了利用海面作为激光漫反射媒介进行组网通信的设想,采用前后向迭代的数值方法结合Green函数谱积分加速算法(FBM/SAA)对激光海面漫反射通信的能量分布特性进行了研究。通过对激光光束入射海面后产生的散射场的分析、计算及实验验证,得出了较为准确的2维激光海面双站散射系数,并对激光光束入射海面后的散射场进行了分析。研究结果表明：入射激光束经过粗糙海面散射后,能量大部分集中在前向散射区域上,而后向散射强度很弱,且在散射场的边缘处能量迅速衰减,说明了激光海面漫反射组网通信方法的可行性。通过与前后向迭代法和Kirchhoff近似方法的计算结果的比较,说明了FBM/SAA是一种高效、准确的计算方法。     

Generation of narrowly directed X-rays under optical pumping in synthetic opal matrices

Generation of narrowly directed X-rays in synthetic opal matrices upon pulsed laser excitation was detected. It was experimentally shown that this phenomenon occurs simultaneously with stimulated globular light scattering (SGLS) and the photon flame effect (PFE). Possible mechanisms of this effect were considered.