纳秒激光诱导空气等离子体射频辐射特性研究

开展了波长为532 nm、脉宽为8 ns的纳秒激光诱导空气等离子体射频电磁辐射特性实验研究,基于锥形天线探测空气等离子体在30-800 MHz频谱范围有较强的射频电磁辐射,是等离子体内电偶极子振荡变速运动造成的.实验结果表明:随激光能量增加,30-200 MHz范围内射频辐射强度逐渐变强,但360-600 MHz频率范围射频辐射强度逐渐变弱.等离子体射频辐射的空间分布依赖于入射激光的偏振方向,当激光偏振方向与天线放置方向一致时,该方向上空气等离子体的射频辐射强度高,谱线较丰富.射频辐射总功率随激光能量先增加后降低,采用等离子体电子密度变化对等离子体频率及等离子体衰减系数影响(制约)关系,对射频辐射总功率随激光能量的变化规律进行了解释.     

纳秒级激光惯性约束装置靶室内电磁脉冲数值模拟

为了探索纳秒级激光惯性约束装置靶室内电磁脉冲(EMP)的物理规律,实验室利用自主研发的EMPIC-2D计算软件开展数值模拟研究。软件将激光与靶作用后产生的逃逸电子作为输入参数,将电磁脉冲强度随时间的变化作为输出。模拟结果发现,纳秒级激光打靶产生的逃逸电子激发的EMP的频率主要分布在0 MHz～2 GHz之间,随着出射波形宽度的变宽,纳秒级激光产生的EMP的高频信号成分减少,而低频成分变化较小;在靠近靶的位置,随着出射时间的延长(1～10 ns),电磁场峰值逐渐降低;与皮秒级激光的模拟结果比较发现,纳秒级激光产生的电磁场的强度较小,低频成分与皮秒级相似,而大于1 GHz的高频成分大量减少。     

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.     

吸积盘的X射线辐射对周围星际物质的离化研究

利用辐射流体力学程序对三倍频纳秒激光与靶物质相互作用进行了模拟研究，得到了可以产生黑体辐射谱分布的激光等离子体X射线辐射靶的最佳厚度；数值模拟研究了黑体谱分布的X射线辐射场对等离子体系统平均离化度分布的影响，它有助于深入理解天体物理中吸积盘对它周围星际物质的离化影响. 关键词： 辐射流体力学 激光等离子体 X射线辐射 吸积盘 离化     

激光等离子体的受激Brillouin散射

研究了激光等离子体背向和侧向受激Brillouin散射光谱结构。激光等离子体相互作用时,受激Brillouin散射光谱受激光等离子体状态的影响而产生Doppler效应。当激光以45° 入射不同材料的平面靶时,等离子体运动产生不同的二维效应,高Z材料产生的等离子体冕区主要沿靶法向运动,受激Brillouin散射光谱在侧向产生较大蓝移,而低Z材料则主要在激光入射方向产生较大蓝移。     

激光等离子体的受激Brillouin散射

 研究了激光等离子体背向和侧向受激Brillouin散射光谱结构。激光等离子体相互作用时,受激Brillouin散射光谱受激光等离子体状态的影响而产生Doppler效应。当激光以45° 入射不同材料的平面靶时,等离子体运动产生不同的二维效应,高Z材料产生的等离子体冕区主要沿靶法向运动,受激Brillouin散射光谱在侧向产生较大蓝移,而低Z材料则主要在激光入射方向产生较大蓝移。     

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     

铝靶激光热应力的实验研究

 用高温应变计和热偶计等诊断技术，研究连续波氧碘化学激光（CW/COIL）与铝合金板作用产生的激光热应力。当照射靶面激光强度约1 000 W/cm²时，激光热应力随靶厚的增加而快速减小。当激光辐照靶材厚度h＝1.00 mm、激光强度I＝640~980 W/cm²时，激光热应力随辐照靶面激光强度的增加而增大。两者的激光热应力－时间曲线随靶厚的减薄或随辐照靶面激光强度的增加而变得越来越复杂。当靶厚h≤2.50 mm，辐照靶面激光强度I≥800 W/cm²时，激光热应力强度超过激光辐照区材料断裂强度，萌生许多孔洞裂纹，引起材料断裂破坏。     

激光产生等离子体辐射X射线特性研究

本文报导激光等离子体辐射Ｘ射线的测量方法和结果。在“星光”装置上,用１．６μｍ激光辐照Ｎａ／Ｆ和铜靶。用平晶谱仪测量等离子体辐射Ｘ射线绝对强度,并研究了辐射Ｘ射线强度与入射激光功率密度的关系,测量了靶前后辐射强度之比,为光电离机制的Ｘ光激光研究提供了较重要的数据。     

双色高频激光作用下原子低阶次谐波的理论研究

通过数值求解含时薛定谔方程,研究了高频双色激光脉冲与原子相互作用产生的光辐射.研究表明,光辐射谱中既有基频光的谐波,又可观测到谐波能量附近的多个频率的光辐射产生,且辐射的峰值强度随着入射激光强度的提高呈指数增强,相邻辐射频率差值为入射的两束激光脉冲频率差.     

纳秒激光诱导空气等离子体的红外辐射特性研究

纳秒激光诱导空气等离子体存在从紫外、可见、近红外乃至射频微波的宽谱段辐射,但目前的研究大多关注紫外到可见波段的光谱辐射。激光等离子体作为一种新型的红外辐射源具有很多优势,相比于红外干扰弹以及红外干扰手段而言,空气等离子体红外辐射源可以灵活布置,成本低廉,因此研究空气等离子体的红外辐射特性就很有必要。针对目前脉冲激光诱导空气等离子体的红外干扰研究需要,对激光波长为532 nm的纳秒脉冲激光诱导空气等离子体的红外辐射特性进行实验研究,探讨激光能量对空气等离子体红外辐射强度的影响规律,以及空气等离子体红外辐射的角度分布特性,分析了等离子体红外辐射的可能产生机制。实验结果表明,激光诱导空气等离子体在950～1 700 nm范围内的红外光谱为线状谱和连续谱的叠加。其中线状谱主要是氮和氧的中性原子谱线,并且氮原子红外辐射占主导。随着激光能量的增加,由于空气击穿产生的氧和氮原子数量增加,导致空气等离子体红外辐射的谱线强度逐渐增大。随着红外探测角度的变化,在探测角度为75°时,OⅠ 1 128.63 nm和NⅠ1 246.96和1 362.42 nm谱线强度达到最大,在探测角度为120°时,NⅠ 1 011.46和1 053.96 nm谱线强度达到最大,这是因为空气等离子体红外辐射强度随探测角度变化呈现空间非对称性,表明空气等离子体内不同粒子的空间分布呈现非对称性。     

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。     

纳秒激光烧蚀冲量耦合数值模拟

为研究激光烧蚀靶产生冲量过程和机理, 建立了一个复杂的一维热传导和流体动力学模型. 以空间碎片常见材料Al为例, 用建立的模型数值计算了纳秒脉宽激光烧蚀靶产生的冲量及冲量耦合系数随时间变化情况. 数值结果和已有的实验数据符合的较好. 数值计算表明: 激光脉冲时间内, 靶获得的冲量随时间迅速增加, 在脉冲时间结束后, 冲量变化随时间趋于稳定; 在冲量耦合过程中, 烧蚀等离子体向真空膨胀, 羽流尺度逐渐增大, 同时吸收入射激光能量, 导致激光与靶耦合的能量降低. 关键词： 激光烧蚀 冲量耦合 等离子体     

脉冲激光-铜靶等离子体产生及其演化过程的瞬态光谱研究

应用时间分辨光谱技术, 研究了高能量纳秒脉冲激光作用下铜靶表面等离子体产生及演化的物理过程. 实验中相互作用区固-气-液三相对激光能量的吸收明显地反映于激光反射强度随时间的演化中, 使得靶表面物质形态的改变导致激光反射强度随时间呈双峰分布.同时, 随着激光峰值功率密度的增加, 靶面等离子体(气)-固-液相变发生的时间相应提前.因此, 这些瞬态性质是诊断激光-固体靶相互作用中靶面物质相变时间的有效方法.     

掺杂材料对激光等离子体受激布里渊散射的影响

研究了激光等离子体背向受激布里渊散射光谱及反射率。当小能量短脉冲激光入射平面靶时，激光等离子体发展不充分，受激布里渊散射光谱结构相似，受激布里渊散射的增长主要受等离于体尺度的影响，随靶材料的有效原子序数的增加，等离子体尺度变小，受激布里渊散射反射率减少。     

自由电子激光辐射频谱测量

文章描述了在环形电子束和实心电子束自由电子激光(FEL)研究中,测量辐射频谱使用的两种方法——波导色散线和带通滤波器谱仪。介绍了测量系统的组成和特点,给出了测量结果:环形束FEL试验。辐射频率在27—38GHz内可调:实心束FEL试验,辐射频谱带宽～1.2GHz。     

电子在激光驻波场中运动产生的太赫兹及X射线辐射研究

采用单电子模型和经典辐射理论分别对低能和高能电子在线偏振激光驻波场中的运动和辐射过程进行了研究. 结果表明: 垂直于激光电场方向入射的低速电子在激光驻波场中随着光强的增大, 逐渐从一维近周期运动演变为二维折叠运动, 并产生强的微米量级波长的太赫兹辐射; 高能电子垂直或者平行于激光电场方向入射到激光驻波场中, 都会产生波长在几个纳米的高频辐射; 低能电子与激光驻波场作用中, 激光强度影响着电子的运动形式、辐射频率以及辐射强度; 高能电子入射时, 激光强度影响了电子高频辐射的强度, 电子初始能量影响着辐射的频率; 电子能量越高, 产生的辐射频率越大. 研究表明可以由激光加速电子的方式得到不同能量的电子束, 并利用电子束在激光驻波场的辐射使之成为太赫兹和X射线波段的小型辐射源. 研究结果可以为实验研究和利用激光驻波场中的电子辐射提供依据.     

激光烧蚀铝靶生成空气等离子体的机理

由Ｑ－开关Ｎｄ：ＹＡＧ激光器产生的１．０６μｍ、１０ｎｓ的脉冲激光辐射大气中的铝靶所产生的等离子体发射光谱的研究结果。当作用在铝靶表面的功率密度在１．０×１０￣９Ｗ／ｃｍ￣２－１．４×１０￣（１０）Ｗ／ｃｍ￣２范围时，测定了等离子体在２００至８８０ｎｍ波长范围内的空间、时间分辨发射光谱。实验发现，等离子体中Ｎ￣＋离子的辐射谱线与连续辐射同时出现并一起消失，随激光强度的增加Ｎ￣＋离子密度以指数关系增加，在激光源方向Ｎ￣＋离子的运动速度为零。从靶表面逸出的热电子与氮原子碰撞及随后发生的级联电离过程是产生Ｎ￣＋离子和空气等离子体的原因。     

短脉冲激光产生的等离子体X射线辐射

此文着重研究短脉冲强激光作用下的等离子体Ｘ射线辐射强度随入射激光能量或功率的变化，等离子体辐射主要由激光功率决定，实验显示了辐射曲线的突变区域和他和区域结构。此外，本结果表明在激光以２０Ｐｓ入射条件下的等离子体相对论吸收效应还不太明显，在等离子体中主要是逆韧致吸收。     

激光等离子体对反射波频移影响的实验研究

 研究了微波被激光等离子体反射时反射波的频率变化。实验中微波发生器产生的微波入射到激光等离子体并被等离子体反射,反射波的频率由频谱分析仪测量,发现反射波的频率与入射波的频率明显不同,分析了在激光等离子体膨胀和熄灭两种情况下激光功率密度和入射波频率对反射波频移影响的原因。结果表明：在等离子体膨胀和熄灭过程中,反射波频移的最大值随激光功率密度的增加而增加;随入射微波频率的增加而减小。