超短超强激光-等离子体中自生磁场的研究

本文回顾了激光-等离子体相互作用中自生磁场的产生以及提出的各种产生机制和诊断方法；比较全面地介绍了超短超强激光与等离子体相互作用中产生自生磁场的理论、数字模拟以及实验研究的状况；重点阐述了超短超强激光-等离子体相互作用中自生磁场对谐波发射影响的理论以及根据该理论完成的实验测定。     

激光等离子体中自生磁场的诊断

激光与固体靶相互作用时会产生极强的磁场。文章简单地介绍了自生磁场的产生机制,较全面地讨论了自生磁场的实验诊断方法,包括物理控针法和光学诊断法,重点介绍了比较成功的法拉第旋转法和塞曼分裂法,最后还提出了两个可能的新方法。     

飞秒激光与等离子体相互作用中自生磁场的测量

自J．A．Stamper首先对自生磁场进行实验研究以来，人们的探索表明超强激光与固体靶相互作用中，在过密和次密等离子体区产生可能高达10^4T的自生磁场。     

等离子体通道中的自生磁场

研究了超短脉冲强激光在等离子体通道中传播时产生的自生磁场．利用相对论动量方程和泊松方程及安培定律得出自生磁场的一个基本公式，在此基础上解析并数值研究了通道中产生的自生磁场的特性和结构，初步探讨了超短脉冲强激光在等离子体中传播时形成的排空效应对自生磁场的影响，并分析了产生自生磁场的机制 关键词：     

激光等离子体相互作用中自生磁场及其空间演化

利用粒子模拟程序,模拟研究了超强激光与等离子体相互作用中的电子束流不稳定性的产生机制,得到了不稳定性所激发的自生磁场的线性增长率与各向异性参数之间的函数关系。观察到了激光与等离子体相互作用时产生的饱和自生磁场在表面领域上的演化过程,发现沿x方向出现的电流比较大时,饱和自生的磁场在z方向的发展比较快,临界面附近较大,但随着深度的增加,逐渐以指数形式减少。     

超强激光功率密度对等离子体中自生磁场和电子热传导的影响

应用多光子非线性康普顿散射模型、3维粒子模拟模型和数值计算方法,研究了超强激光与等离子体作用中自生磁场产生和电子热传导过程,提出了将非线性康普顿散射光作为改变等离子体自生磁场和电子热传导的新机制,给出了自生磁场最大饱和值和超热电子热传导的修正方程和数值计算结果。研究发现在时间为100~160范围内,自生磁场能量随入射激光功率密度增大而迅速增大,之后处于较高饱和阶段。增大的初始时刻较散射前提前了20,增大阶段的时间延长了30,饱和阶段增幅为40。入射激光功率密度为1019~1020W/cm2时,自生磁场强度最大模拟值为1.47104~3.75104T,单电子能谱峰值出现在3.3MeV和6.6MeV附近,能谱曲线在4~15 MeV和11~14.3MeV范围迅速衰减,在6.7MeV和13.2MeV以上时,超热电子有效温度为2.6MeV和4.5MeV,比无散射的理论值和拟合值均有一定增大。随入射激光强度增大,热流随激光脉冲一起向等离子体内流动的时间缩短,自生磁场限制热流的时间延长。并对所得结果给出了初步物理解释。     

超强激光功率密度对等离子体中自生磁场和电子热传导的影响

应用多光子非线性康普顿散射模型、3维粒子模拟模型和数值计算方法,研究了超强激光与等离子体作用中自生磁场产生和电子热传导过程,提出了将非线性康普顿散射光作为改变等离子体自生磁场和电子热传导的新机制,给出了自生磁场最大饱和值和超热电子热传导的修正方程和数值计算结果。研究发现在时间为100~160范围内,自生磁场能量随入射激光功率密度增大而迅速增大,之后处于较高饱和阶段。增大的初始时刻较散射前提前了20,增大阶段的时间延长了30,饱和阶段增幅为40。入射激光功率密度为1019~1020W/cm2时,自生磁场强度最大模拟值为1.47104~3.75104T,单电子能谱峰值出现在3.3MeV和6.6MeV附近,能谱曲线在4~15 MeV和11~14.3MeV范围迅速衰减,在6.7MeV和13.2MeV以上时,超热电子有效温度为2.6MeV和4.5MeV,比无散射的理论值和拟合值均有一定增大。随入射激光强度增大,热流随激光脉冲一起向等离子体内流动的时间缩短,自生磁场限制热流的时间延长。并对所得结果给出了初步物理解释。     

超强激光等离子体相互作用中的自生磁场与能量运输

采用数值方法研究了超强激光与等离子体相互作用中产生的电磁不稳定性及其产生机制。用Spitzer-Harm理论分析了电子热传导中能量的运输情况,观察到由激光的非等方加热引起的电子纵向加热现象。结果表明,不稳定性激发的强电磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量,同时对在激光有质动力推开电子时形成的电子热流产生抑制作用。同时发现,随着自生磁场的增长,电子被磁场波捕捉,热运输受抑制。     

飞秒激光与固体靶相互作用中自生磁场的测量

利用OMA光学多道分析谱仪,分别在激光镜反方向和接近靶面法线方向测量了2倍频谐波的精细结构。在激光功率密度为5×1017 W/cm2的条件下,通过散射光2倍频谐波谱的精细结构,回推出激光与等离子体相互作用中产生的自生磁场达100T量级。     

飞秒激光与固体靶相互作用中自生磁场的测量

 利用OMA光学多道分析谱仪，分别在激光镜反方向和接近靶面法线方向测量了2倍频谐波的精细结构。在激光功率密度为5×10¹⁷ W/cm²的条件下，通过散射光2倍频谐波谱的精细结构，回推出激光与等离子体相互作用中产生的自生磁场达100T量级。     

非均匀磁场约束条件下的电子束空气等离子体特性

为了揭示大气环境电子束等离子体的性质,基于蒙特卡罗程序包Geant4建立了一个包含电离、激发以及轫致辐射等物理过程的计算模型,用于模拟非均匀磁场约束条件下高能强流稳态电子束的输运特性、以及大气环境等离子体的性质。结果表明:非均匀磁场可以有效控制电子束在空气中的输运轨迹,显著降低电子束的发散;随着电子束在空气中行程的增加,电子束能谱开始展宽并向低能区移动;输运装置出口能量损失比电子束射程末端高2个量级,且随着电子束输运距离的增加,等离子体密度降低;等离子体密度的高低与电子束能量直接相关。     

非均匀磁场约束条件下的电子束空气等离子体特性

为了揭示大气环境电子束等离子体的性质,基于蒙特卡罗程序包Geant4建立了一个包含电离、激发以及轫致辐射等物理过程的计算模型,用于模拟非均匀磁场约束条件下高能强流稳态电子束的输运特性、以及大气环境等离子体的性质。结果表明：非均匀磁场可以有效控制电子束在空气中的输运轨迹,显著降低电子束的发散;随着电子束在空气中行程的增加,电子束能谱开始展宽并向低能区移动;输运装置出口能量损失比电子束射程末端高2个量级,且随着电子束输运距离的增加,等离子体密度降低;等离子体密度的高低与电子束能量直接相关。     

磁场约束下激光诱导等离子体光谱强度演化研究

对磁场约束下激光诱导铜等离子体光谱强度演化进行了实验研究,分析了在磁场约束环境下的等离子体光谱强度演化过程以及激光能量对光谱增强的影响.实验结果表明:在磁场约束下铜等离子体内原子光谱和离子光谱均有所增强,在磁场约束下Cu I 510.55 nm谱线强度时间演化过程中在1.2—5.7μs时间范围内附近出现双峰结构,在距离靶材表面0—1.4 mm空间范围内磁场约束Cu I 510.55 nm光谱增强明显.Cu I510.55 nm和Cu I 515.32 nm光谱增强因子随激光能量的增加呈单调递减变化,激光能量20 mJ时增强因子最大分别为11和8.对磁场约束下等离子体发射光谱强度增强的物理原因进行了探讨.     

Volume effect of laser produced plasma on X-ray emissions

An investigation of x-ray emission from Cu plasma produced by 1.054 μm Nd:glass laser pulses of 5 ns duration, at 2 × 10¹² − 2 × 10¹³ W cm⁻² is reported. The x-ray emission has been studied as a function of target position with respect to the laser beam focus position. It has been observed that x-ray emissions from ns duration plasma show a volume effect similar to subnanosecond plasmas. Due to this effect the x-ray yield increases when target is moved away relative to the best focal plane of the laser beam. This result supports the theoretical model of Tallents and has also been testified independently using suitably modified theoretical model for our experimental conditions. While above result is in good agreement with similar experimental results obtained for sub-nanosecond laser produced plasmas, it differs from result claiming filamentation rather than pure geometrical effect leading to x-ray enhancement for ns plasmas.     

纳秒激光烧蚀固体靶产生的等离子体在外加横向磁场中膨胀时的温度和密度参数演化

利用等离子体光学波段自发光成像、光学光谱和光学探针干涉等诊断手段, 观察了纳秒脉冲激光烧蚀固体靶产生的等离子体在外加横向磁场中的膨胀过程. 根据实验参数特征建立了简化的磁流体物理模型, 结合自发光强度的时间演化, 理论计算了等离子体温度和密度参数的时间演化, 理论计算结果与实验测量结果基本符合, 证实了碰撞磁扩散过程在等离子体演化中发挥了关键作用.     

超短超强激光与稀薄等离子体相互作用中后孤立子的观测

开展了超短超强激光与稀薄等离子体相互作用实验,在实验中采用等离子体单色成像法观测等离子体发光图像,捕捉到了近乎对称的环形等离子体发光结构. 在对实验结果进行分析并与理论预言进行比较后确认这是由激光-等离子体相互作用形成的后孤立子云外围的高密度等离子体壳层发光所致. 同时通过对等离子体通道的观测还发现,孤立子的形成对超短超强激光在稀薄等离子体中的传输产生了非常大的影响. 关键词： 超短超强激光 稀薄等离子体 单色成像 后孤立子     

Proton radiography of magnetic field in laser produced plasma

Electromagnetic fields generated by the interaction with plasmas of long-pulse laser beams relevant to inertial confinement fusion have been measure. A proton beam generated by the interaction of an ultraintense laser with a thin metallic foil is used to probe the B-fields. The proton beam then generated is temporally short (of the order of a ps), highly laminar and hence equivalent to a virtual point which makes it an ideal source for radiography. We have investigated, using face-on radiography, B fields at intensity around 10¹⁴ W/cm² due to the non colinearity of temperature and density gradients.     

超短超强激光与稀薄等离子体相互作用背向受激Raman谱特性模拟

 利用LPIC++程序模拟了超短超强脉冲与稀薄等离子体相互作用产生的背向受激Raman谱。结果证明：在极端相对论条件下,背向受激Raman谱不再是通常所指的弱耦合模式,而进入强耦合模式。频谱加宽,并融合在一起;各谱峰之间的频移不再以等离子体波的频率为间隔,而是小于电子等离子体波的频率。模拟了各种条件下的背向散射Raman谱特性,结果显示：随着密度的提高,背向受激Raman谱的强度也将提高,这与理论结果符合得较好。     

超短超强激光与稀薄等离子体相互作用背向受激Raman谱特性模拟

利用LPIC++程序模拟了超短超强脉冲与稀薄等离子体相互作用产生的背向受激Raman谱。结果证明：在极端相对论条件下,背向受激Raman谱不再是通常所指的弱耦合模式,而进入强耦合模式。频谱加宽,并融合在一起;各谱峰之间的频移不再以等离子体波的频率为间隔,而是小于电子等离子体波的频率。模拟了各种条件下的背向散射Raman谱特性,结果显示：随着密度的提高,背向受激Raman谱的强度也将提高,这与理论结果符合得较好。