强激光等离子体相互作用驱动高次谐波与阿秒辐射研究进展

对超快过程的探测和控制决定了人类在微观层面认识和改造物质世界的能力.阿秒光源可完成对组成物质的电子运动及其关联效应进行超高时空分辨的探测和操控,为人类认识微观世界提供了全新手段,被认为是激光科学史上最重要的里程碑之一.世界主要科技强国都将阿秒科学列为未来10年重要的科技发展方向.利用强激光与物质相互作用产生高次谐波是突破飞秒极限实现高亮度阿秒脉冲辐射的重要方案之一,成为了近年来激光等离子体领域的研究热点.本文聚焦强激光与等离子体相互作用中的高次谐波和阿秒脉冲辐射,主要介绍其产生机制、研究进展和前沿应用,并对未来的发展趋势和创新突破进行展望.     

强激光和超薄等离子体薄膜相互作用产生高次谐波

通过一维粒子（particle in cell,简称PIC）模拟，研制了超薄等离子体薄膜在两列旋转方向相反的圆偏振激光脉冲作用下的高次谐波辐射。在10^21W/cm^2强度的激光作用下，可以获得200次以上的高次谐波。当激光脉冲宽度较短时，由于等离子体薄膜被压缩所导致的多普勒频移对高次谐波产生了显著的频率调制。而这种多普勒频移可以通过对抽运光脉冲引入频率啁啾来补偿。     

飞秒强激光与欠稠密等离子体相互作用中的二次谐波辐射

对超短超强激光脉冲 (45fs,6× 10 17W /cm2 )与光致电离氦气形成的欠稠密等离子体相互作用中的二次谐波辐射进行了实验研究。测量了多种打靶强度的飞秒激光脉冲与不同气体密度氦气相互作用的二次谐波光谱 ,得到在欠稠密等离子体中二次谐波辐射与打靶激光能量的关系 ,分析了产生二次谐波辐射产生的物理机制 ,在考虑了强短脉冲激光电离气体产生的等离子体径向电子密度梯度因素 ,基于非线性作用过程的理论预期曲线与实验结果较好地吻合     

超短超强激光和稠密等离子体相互作用的数值研究

应用一维粒子模拟方法数值研究了超短超中激光和稠密等离子体的相互作用，结果表明，在等离子体中的激发起无规则的电场波动，同时在等离子体中产生温度很高的电子。     

等离子体光栅靶的表面粗糙度对高次谐波产生的影响

极紫外光和软X射线由于其波长和脉冲持续时间极短,可用于超快物理过程和物质微观结构的探测.最近几年,研究人员发现激光和等离子体相互作用可以产生持续时间极短(阿秒)且相干性较好的高次谐波辐射,其波长可接近甚至达到水窗波段.然而,实验研究指出,理论上应出现的一些谐波在实验中并没有出现.本文针对超短超强激光与非理想条件下的等离子体光栅靶相互作用产生高次谐波的物理过程进行了理论分析和粒子模拟.研究结果表明,等离子体光栅的周期性结构对于高次谐波的频谱和辐射角分布存在显著调制效果.光栅靶表面粗糙度直接影响光栅的光学调制效果,改变高次谐波的频谱分布和辐射角分布.理想光栅条件下,满足光栅匹配条件的特定阶数谐波明显获得增强,且辐射张角集中在平行靶面的方向.靶表面粗糙度的出现,导致光栅匹配条件失效,高次谐波能量向各阶分散且辐射张角逐渐偏离靶表面方向.研究结果较好地解释了实验中观测到的谐波频谱分布,为进一步的研究提供了一定参考.     

相对论激光在Maxwell分布等离子体中产生的高次谐波

研究了强激光与具有初始速度分布的等离子体作用产生的高次谐波。结果表明,对于Maxwell速度分布的等离子体,由于电子初始时刻的无规则热运动,在一定程度上抹平了辐射功率在谐波谱上的分布,使得高次谐波的辐射增强,低次谐波的辐射有所减弱,有利于高次谐波的产生。     

相对论激光在Maxwell分布等离子体中产生的高次谐波

 研究了强激光与具有初始速度分布的等离子体作用产生的高次谐波。结果表明，对于Maxwell速度分布的等离子体，由于电子初始时刻的无规则热运动，在一定程度上抹平了辐射功率在谐波谱上的分布，使得高次谐波的辐射增强，低次谐波的辐射有所减弱，有利于高次谐波的产生。     

激光等离子体中由共振吸收诱发的高次谐波

用电容器模型计算了激光打靶过程中由共振吸收诱发的高效谐波，并在此基础上讨论了超短脉冲强激光的高次谐波作为一种短波长相干辐射源的可能性。     

相对论圆偏振激光与固体靶作用产生高次谐波

超短超强激光与固体靶表面等离子体相互作用可以通过高次谐波的方式产生从极紫外到软X射线波段的相干辐射,获得飞秒甚至阿秒量级的超短脉冲,可用于观测原子或分子中的电子运动等超快动力学过程.本文实验研究了相对论圆偏振飞秒激光与固体靶相互作用的高次谐波产生过程,实验结果表明,在较大入射角下,圆偏振激光也可以有效地产生高次谐波辐射.通过预脉冲控制靶表面的预等离子体密度标长,发现高次谐波的产生效率随密度标长的增加而单调下降.进一步通过二维粒子模拟程序,分析了激光的偏振以及预等离子体密度标长对高次谐波产生的影响,很好地解释了实验观测结果.     

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．     

超短强激光作用下空气的三次谐波辐射

进行了飞秒强激光与自由空气和充气毛细管相互作用产生三次谐波的实验研究，成功地获得了功率达0.17GW、重复频率为10Hz的紫外三次谐波信号，谐波的转换效率达到0.04%。对自由空气和充气毛细管中的谐波转换效率和谐波空间分布特性进行了比较。实验表明微毛细管虽然使谐波转换效率略有降低，但能有效地改善谐波的空间分布，使其更好地满足实际应用的需要。     

隧道电离产生的高次谐波

用隧道电离模型，研究了激光和气体相互作用中，不同气体密度及激光强度下，气体电离及激光能量损耗物过程，并研究了这种效应引起的高次谐波。     

飞秒激光脉冲在氮气中产生高次谐波的实验研究

报道了以氮气为介质产生高次谐波的实验结果。实验中主要研究了不同的气体密度、不同入射激光能量和不同偏振对高次谐波辐射强度及谐波级次的影响。并从理论上进行了定性分析。分析结果表明：要想得到较高次、较强的谐波辐射，必须反复进行实验，确定最佳的激光能量和气体密度，以减少由于自由电子密度的提高而导致的相位失配的影响。     

强激光场高次谐波的两能级原子模型

利用两能级原子模型，通过直接求解含时薛定谔方程得到了强激光场中的高次谐波谱，和实验中观察到的谐波谱相似，这种模型可用于研究激光强度，激光频率以及介质的电离能等因素对高次谐波的影响。     

强场高次谐波时间特性的理论分析

通过用单电子近似求解含时薛定谔方程,用加窗傅里叶分析的方法,分析了单原子产生的高次谐波的时间特性。理论分析表明,基态粒子数消耗对不同级次谐波辐射的影响程度不一样;谐波辐射随着入射激光场强度的增加会出现饱和;随着谐波级次的增加,波辐射越来越趋向于集中在更短的时间间隔内,相应的线宽胡着谐波级次的增加而增加。     

Hydrodynamics of Plasma Interaction with an Intense Laser Field

A set of moment relations, which can describe the charged fluids response to an intense pump laser, and a linearization substitution relation, which is more appropriate as compared with the past treatment, are given by theoretical analyses. The relevant equations of state (adiabatic and isothermal), momentum and energy equations are derived self-consistently.The dispersion relations of the electron plasma wave and the ion acoustic wave driven by an intense pump laser field are-obtained. The results show that the frequencies of both the excited electron plasma wave and the excited ion acoustic wave have a great modification in the case of strong pump. The former bears out the theoretical result obtained from Vlasov equation and the later is consistent with experimental observations. It is proved that the zero-frequency component of the laser light wave contribution to the plasma pressure tensor is un-neglected,which implies a greatly change to the wave excitation properties, particularly in the direction of parallel or approximately parallel to the laser field vector.     

超强激光的等离子体烧孔效应

针对激光聚变快速点火方案中的等离子体烧孔效应，用活塞模型研究了超强激光压缩等离子体并直接驱动激波的过程，给出了描述该过程的各物理参量的理论定标律。