第四讲 超强激光脉冲与等离子体相互作用中高能离子的产生

近几年来，由于高功率激光技术的不断发展，利用超强激光脉冲与等离子体相互作用产生高能离子束的研究得到了极大推动．实验和理论模拟均发现，在超强激光脉冲与等离子体相互作用过程中，可以产生高亮度、小尺寸、方向性好的高能质子束和高能重离子束．这种基于超强激光的高能离子源在先进离子束成像技术、惯性约束聚变混合“快点火”、新型台面离子加速器以及医疗等方面都有很诱人的应用前景．文章主要介绍了超强激光与固体靶相互作用中高能离子束（尤其是质子束）的加速机制、高能离子束特性、常用测量方法及其潜在应用，并对最新的研究进展进行了简单介绍．     

快点火与超强激光等离子体相互作用问题

“快点火”是近年来提出的激光聚变点火的一种新方式。它的特点是靶丸的压缩和点火分开进行：第一步由通常的多束激光对称辐照靶丸获得高密度;而后由单束超强激光（Iλ≈10^18-20Wum^2/cm^2)加热芯部实现点火。第传统的“热斑点火）比较,快点火在压缩方面具有很多优越性：大量节省驱动能量,降低了对驱动均匀性的要求,并且可以达到更高的能量增益。但是超强激光点火却涉及一些非常复杂的问题：在预压缩形成的等郭体中打洞（hole boring);在高密度燃料的边沿产生足够数量的高能量电子（MeV）,这些电子的传输加热等。文章简短地讨论了这些问题,并研究了几十kJ激光能量实现点火的可能性。     

强激光与等离子体相互作用产生的超强太赫兹辐射

超短强激光脉冲在等离子体中传播时会激发大振幅的等离子体尾波场，它是一种电子等离子体波．由于这是一种静电波，它一般不能转换成电磁辐射．我们发现在不均匀等离子体中激发的尾波场在一定条件下可以通过线性模式转换产生电磁辐射．由于用超短强激光脉冲尾波场可以达到的电场振幅达100GV／m，其振动频率在太赫兹（10^12Hz）附近，用这种方法可以产生电场强度达到GV／m的太赫兹辐射．     

全息术诊断激光产生蒸汽羽等离子体

介绍了用脉冲激光全息二次曝光法诊断Q开关钕玻璃激光脉冲与LY12铝靶(φ50×3)耦合产生蒸汽羽等离子体的原理和实验。在打靶激光脉宽约50ns,功率密度约5GW/cm~2条件下,拍摄了激光产生蒸汽羽等离子体的全息干涉图。运用Abel变换和Saha方程,对全息干涉图进行数据处理,得到对激光与物质相互作用机理研究的有用参数。     

强激光与等离子体相互作用产生的超强太赫兹辐射

超短强激光脉冲在等离子体中传播时会激发大振幅的等离子体尾波场,它是一种电子等离子体波.由于这是一种静电波,它一般不能转换成电磁辐射.我们发现在不均匀等离子体中激发的尾波场在一定条件下可以通过线性模式转换产生电磁辐射.由于用超短强激光脉冲尾波场可以达到的电场振幅达100GV/m,其振动频率在太赫兹附近,用这种方法可以产生电场强度达到GV/m的太赫兹辐射.     

超短超强激光等离子体物理专题编者按

强激光等离子体物理是随着激光技术的发展而快速兴起的一门交叉学科,主要研究强激光与物质相互作用形成的等离子体结构、演化及应用.其研究内容从早期纳秒激光与等离子体作用相关的惯性约束聚变物理,到近年来飞秒激光与等离子体作用的新型加速器和辐射源物理,再到当前和未来以数十至百拍瓦激光等离子体作用的量子电动力学(QED)等离子体物理,逐步得到拓展和深入.     

超短超强激光与稀薄等离子体相互作用的数值研究

用一维粒子模拟方法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｉｎ－Ｃｅｌｌ）数值研究了超短超强激光（Ｉλ＾２〉１０＾１８Ｗ．μｍ＾２／ｃｍ＾２）与稀薄等离子体的相互作用过程，结果表明，超短超强激光与稀薄等相互作用后，在等离子体中激发起尾波和拉曼（Ｒａｍａｎ）波，它们的波长和频率的值与解析解符合得很好；同时在尾波的作用下，等离子体的部分电子被加速的很高的速度，甚至接近光速。     

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。     

一维动理学数值模拟激光与等离子体的相互作用

利用一维(1D3V)、显式、全电磁、相对论粒子模拟代码研究动理学范畴内激光与等离子体相互作用中的受激拉曼散射,给出了粒子代码的控制方程及其数值离散的详细方案,研究表明:动理学效应在受激拉曼散射不稳定性中十分重要;时问平均的反射率在阈值强度处跃升,在更高的激光强度处达到饱和;受激拉曼背向散射周期性地在次皮秒内爆发,离子效应延迟背向拉曼散射的发生;电子俘获导致了背向拉曼散射出现爆发;Langmuir波的非线性频移使得背向散射达到饱和。     

飞秒超强激光驱动太赫兹辐射特性的实验研究

强太赫兹源是太赫兹科学技术发展的关键,其中大能量强场太赫兹脉冲源在超快物态调控、新型电子加速器等领域具有重要的应用前景.超快超强激光与等离子体相互作用是近年来发展起来的一种新型的强场太赫兹辐射产生途径.本文报道了利用超强飞秒激光脉冲与金属薄膜靶作用产生太赫兹辐射的实验结果,研究了激光能量和离焦量对靶后太赫兹辐射能量的影响,并通过监测激光背向散射光谱,定性揭示了其变化规律与不同光强下的电子加热机制的相关性.实验表征了太赫兹辐射的频谱、偏振及聚焦光斑情况.测量结果表明,实验产生了脉冲能量达458μJ、聚焦场强高达GV/m量级的超宽带太赫兹辐射,为开展极端太赫兹脉冲与物质相互作用研究提供了一种新的强场太赫兹光源.     

Neutron in-beam Mössbauer spectroscopic study of iron disulfide at room temperature

An in-beam emission Mössbauer spectrum of ⁵⁷Fe arising from the ⁵⁶Fe(n, γ) ⁵⁷Fe reaction in iron disulfide at room temperature was measured with a parallel plate avalanche counter. It was clearly observed that the nuclear reaction and the following process lead to the production of a new chemical species of iron different from the parent compound.     

Systematic study of spatiotemporal dynamics of intense femtosecond laser pulses in BK-7 glass

In this paper we present a systematic study of the spatial and temporal effects of intense femtosecond laser pulses in BK-7 over a broad range of input powers, 1–1000 times the critical power for self-focusing (P _cr) by numerically solving the nonlinear Schrödinger equation (NLS). Most numerical studies have not been extended to such high powers. A clear-cut classification of spatio-temporal dynamics up to very high powers into three regimes — the group-velocity dispersion (GVD) regime, the ionization regime and the dominant plasma regime — as done here, is a significant step towards a better understanding. Further, we examine in detail the role of GVD in channel formation by comparing BK-7 to an ‘artificial’ medium. Our investigations bring forth the important observation that diffraction plays a minimal role in the formation of multiple cones and that plasma plays a diffraction-like role at very high powers. A detailed study of the spatio-temporal dynamics in any condensed medium over this range of powers has not been reported hitherto, to the best of our knowledge. We also suggest appropriate operational powers for various applications employing BK-7 on the basis of our results.     

量子电动力学—粒子模拟极端等离子体动力学研究

新一代拍瓦激光装置有望将激光强度提升至10²³~10²⁴ W·cm^-2,在此极端强场条件下非线性量子电动力学效应对等离子体动力学过程产生重要影响.相对论电子在强电磁场作用下会同步辐射大量伽马光子,当后者穿过超强电磁场时会级联产生正负电子对.与此同时,这些量子电动力学效应也会反作用于激光等离子体相互作用过程,如辐射阻尼严重影响电子运动过程.为了研究这样极端的等离子体动力学,我们介绍最近几年发展的量子电动力学数值模拟模块,并将其耦合到传统的粒子模拟程序中,即量子电动力学-粒子模拟程序.由于大量新辐射的光子和产生的正负电子对会造成模拟粒子数目的不断增加,我们发展了粒子融合技术来减小模拟规模.利用此量子电动力学-粒子模拟程序,我们对极端强场激光物质相互作用以及极端天体物理现象开展了数值模拟研究.     

激光-等离子体相互作用正电子发射研究进展

介绍了激光-等离子体相互作用产生正电子的相关实验和数值模拟研究进展。简要回顾了激光-等离子体相互作用正电子的发现过程及激光-等离子体作用产生正电子的三种物理机制;详细地叙述了激光与物质相互作用产生正电子的两类典型实验方式（即直接方式和间接方式）及相关的实验和数值模拟结果;对激光-等离子体相互作用产生正电子的研究进行了评述。从现有研究进展来看,目前理论研究和实验研究所获结论差异较大,还需要从激光设备、实验方案设计以及理论和模拟研究方面做大量细致的工作。

     

Structural study and electrical properties of Zr-doped Nd<Subscript>2</Subscript>Sn<Subscript>2</Subscript>O<Subscript>7</Subscript> pyrochlore compounds

Nd₂Sn₂O₇ pyrochlores with the substitution of Zr⁴⁺ were prepared by conventional ceramic double sintering technique. The single-phase formation was confirmed by X-ray diffraction and neutron diffraction techniques. Relative intensity calculations for X-ray diffraction analysis were performed for oxygen positional parametersx = 0.331 and 0.375, while Rietveld refinements were employed for neutron diffraction data. The neutron diffraction study revealed that there are only two anion sites with 48f and 8b positions. This indicates that the 8a site, i.e. O(3) sublattice, is completely vacant and the structure is a perfect cubic pyrochlore with space group Fd3m (O _h ⁷ ). From the conductivity measurements, it is observed that the electronic conductivity dominates from room temperature up to about 525 K and forT > 525 K, the oxygen ion conduction dominates the charge transport in these compositions. Complex impedance spectroscopy indicates the existence of grain and grain boundary as two separate elements.     

奇奇核与奇A核n-p相互作用

从结合能实验值提取n-p相互作用能ε_ip-jn,系统比较了奇奇核单质子单中子相互作用能ε_1p-1n与相邻奇A核相应量的平均值,发现前者普遍大于后者.提出奇奇核n-p增强的解释为,GMshift效应和同类核子对关联对奇A核n-p相互作用的削弱效应.同时指出,奇质子核的ε_1p-2n相当好地近似等于同质量数奇中子核的ε_2p-1n,并且这与Garvey-Kelson关系是等价的.