受激布里渊散射的非线性增强和饱和

针对典型激光聚变等离子体参数条件,利用弗拉索夫程序研究非均匀流等离子体中受激布里渊散射的非线性行为。在动理学效应占主导的参数区域,观察到受激布里渊散射激发的离子声波由于非线性动理学频移和非均匀流空间失谐相互补偿引起的离子声波自共振增长,这会导致受激布里渊水平量级的增强;提出用光束时间去相干抑制这种绝对增长。在流体非线性占主导的参数区域,观察到由于离子声波谐波导致的孤立波产生、离子加热以及受激布里渊散射饱和现象。     

核物理与等离子体物理学科研究进展

1 理论物理 1．1 等离子体物理 深入开展了激光等离子体相互作用理论研究。为了模拟和研究激光与大尺度黑腔等离子体相互作用问题，分析了激光入射场、散射波场和离子声波的传播的耦合关系，考虑动力学效应，提出了描述自聚焦、受激散射非线性演化的耦合模型，完成流体程序的物理方案；研究了SRS时空演化机制，发现一些新物理现象；对超强激光与超高密度等离子体作用问题进行模拟，研究了高能电子、单能离子产生的新特征。     

相对论效应对激光在等离子体中的共振吸收的影响

采用一维粒子模拟(PIC)方法，研究了相对论效应对P偏振激光斜入射非均匀等离子体时产生的共振吸收的影响. 计算表明，弱相对论情况下，在临界面附近产生的电子等离子体波的相对论非线性效应占主要作用；随着入射光场的逐渐增大，吸收率逐渐降低. 当入射光强超过3.7×10¹⁷W/cm²时，由于超短激光脉冲本身在等离子体中产生相对论效应、等离子体波破裂效应，以及参量不稳定过程激发等，吸收系数随着激光强度又开始增加. 固定等离子体密度标长，取不同的激光入射角、电子初始温度，相对论效应对吸收系数的影响是一致的. 关键词： 激光等离子体 相对论效应 共振吸收 粒子模拟     

等离子体密度标长对高次谐波转换效率的影响

通过等离子体粒子模拟研究了在强激光与等离子体相互作用产生高次谐波的过程中,等离子体密度标长对转换效率的影响,计算了在不同密度标长下p偏振非相对论强度激光与高密度等离子体相互作用产生高次谐波的转换效率,发现等离子体密度标长对转换效率有重要的影响,这种影响与谐波级次,等离子体密度,激光脉冲宽度有关。     

强激光与近临界密度等离子体相互作用中的无碰撞静电冲击波产生

本文通过一维粒子模拟(particle-in-cell)方法研究了强激光与近临界密度等离子体相互作用中的弱冲击波和强冲击波产生,并讨论了非相对论和相对论光强以及等离子体密度分布区间对无碰撞冲击波形成的影响.非相对论的弱驱动光与等离子体相互作用产生的是弱冲击波.由于电子加热不充分,电子能谱呈现出双温分布.较低温度的电子对弱冲击波的形成以及质子反射加速有重要作用.弱冲击波加速质子的能谱呈连续分布.在等离子体密度上升沿区间较大时,可观察到后孤子结构向离子声波结构演化并进一步演化为弱冲击波结构的过程.在相对论的强驱动光强下,电子加热比较充分可达到相对论温度,且呈现出单温分布.进一步分析密度分布区间大小对冲击波形成的影响时发现:1)当等离子体密度上升沿区间较大时,离子声波的势垒易被热电子屏蔽且离子声波结构在传输的过程中容易被后续的激光破坏而无法演化为无碰撞冲击波;2)当等离子密度分布区间较小时,离子声波中加速电场的有效距离(即德拜长度)和持续时间更长,这导致其结构在传输过程中更加稳定.当离子声波中加速的质子与靶后鞘层场加速的质子之间的速度差满足无碰撞冲击波的离子反射条件时,离子声波进一步演化为强...     

Rijke热声振荡的非线性效应

本文研究了Rjike管热声振荡的非线性效应，指出了引起非线性效应的两个因素，即热声相互作用的非线性和声波在管子末端的非线性辐射声阻,并通过计算声波振幅的增长率和实验分析声波的频谱，发现非线性效应限制了管内声波振幅的增长，并且导致了二次及高阶谐波的产生。     

强激光和稠密等离子体相互作用产生的三次谐波

研究了超强激光和均匀及线性梯度高密度等离子体相互作用产生的三次谐波，特别研究了等离子体密度为四倍临界密度时的情形，这可能是用相对论效应产生高效谐波的最佳密度。     

相对传播的双脉冲激光与薄膜靶作用产生的强单色谐波

研究了相对传播的双脉冲激光与薄膜靶的作用,观察到很强的谐波产生.其物理图像是:圆偏振高对比度强激光脉冲作用于薄膜靶,由光压推动产生的高密度等离子体靶向前运动,同时由于电荷分离场的作用,使得离子束和电子束在纵向上都有好的聚束,从而产生以相对论速度向前运动的等离子体镜;反向入射一个探测光到已被加速的等离子体镜上,由多普勒频移产生强的单色N次谐波,探测光脉冲被"压缩"至原来的1/N.还讨论了激光和等离子体参数对等离子体镜的运动和谐波级次的影响,以及相对论运动等离子体镜的稳定性对谐波的影响.     

超相对论激光和稠密等离子体作用产生阿秒脉冲的优化

利用一维粒子模拟程序研究了超相对论激光脉冲与稠密等离子体相互作用得到的阿秒脉冲.从超相对论近似的角度分析了电子运动行为和高次谐波的产生,发现当等离子体密度一定时,随着无量纲相似参数S的减小,阿秒脉冲的转换效率呈先增大后减小的趋势,因此选择适当的光强就可以得到转换效率较高的阿秒脉冲.当S一定时,随着等离子体密度的增加,阿秒脉冲转换效率有增大的趋势.这说明用适当的光强照射更稠密度的等离子体靶面,可以产生更强的阿秒脉冲.     

强激光与等离子体相互作用中受激陷俘电子声波散射及相空间离子涡旋的形成

应用一维相对论电磁粒子模拟程序，研究了线性极化强激光入射到无碰撞密度均匀的次临界密度等离子体中所引起的受激陷俘电子声波散射不稳定性过程.不稳定性的早期行为与是否考虑离子动力学效应无关.当考虑离子动力学效应之后会激发一个随时间增长的离子声波，并且最终由于大振幅电磁孤立子的产生而中断.由于电磁孤立子内的静电场与电磁场所产生的离子加速与俘获效应，导致一个离子涡旋在离子相空间中形成；当电磁孤立子向后加速过程中，若干个离子涡旋结构随之形成.研究发现，离子涡旋结构同样存在于密度不均匀的次临界密度等离子体中.从拓扑的观 关键词： 粒子模拟 受激陷俘电子声波散射 电磁孤立子 离子涡旋     

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.     

非均匀等离子体对强激光传播及电子束输运的影响

本文介绍近期针对非均匀等离子体对强激光传播和电子束输运影响取得的研究进展,首先研究弱无序分布等离子体对强激光传播的影响,提出强激光在弱无序等离子体中存在非线性分支流传输机制,并阐明光电离效应及相对论效应对分支流的重要影响。此外,研究等离子体密度梯度对相对论电子束输运过程的影响,发现相对论电子束输运所激发的静电波在空间固定点处的波数或相速度随时间变化,并且不依赖于等离子体密度的上升或下降,静电波的局域空间波数最终随时间逐渐增大,这导致在非均匀等离子体中静电波通过朗道阻尼方式将能量耗散转移给背景电子,表现为一种由背景等离子体密度梯度引起的束流能量耗散新机制。     

强激光脉冲在部分离化等离子体中的传播特性

采用变分法给出了强激光脉冲在部分离化等离子体中传播的参数演化方程,其中考虑了相对论自聚焦、有质动力激发尾波场以及部分离化非线性极化强度的影响。通过非线性动力学分析的方法,得到了强激光脉冲以恒定焦斑半径传播时的激光、等离子体参数匹配条件。研究表明:在部分离化等离子体中,激光自聚焦随着电离程度的增大而增强;有质动力激发的尾波场进一步增强激光脉冲的自聚焦;相对于等离子体密度而言,激光强度对激光脉冲的自聚焦更有影响。     

激光辐照平面靶产生的二次谐波结构

利用单路钕玻璃线偏振激光辐照平面铝靶及铝箔靶,可在实验中观测到二次谐波的频移、加宽、光谱结构及空间分裂等一系列特征,谐波谱及其结构是反映冕区激光与等离子体相互作用的一个重要方面,频移与加宽反映了等离子体的温度及向外膨胀运动,这在文献[1,2]中已有报导。谱线轮廓上小的尖峰结构与垂直方向上的空间分裂,反映了谐波通过非线性介质由于不稳定所引起的时间调制与细丝自聚焦,这可从下面的讨论中看出。我们将从实验布置、实验结果、结果分析等几个方面逐一叙述。     

飞秒激光等离子体中电子热传导现象的数值模拟

采用相对论电磁粒子模拟程序研究了飞秒激光等离子体相互作用中产生的电流密度、电场和自生磁场的发展演化过程。介绍了电子的非局域热输运的基本特性以及激光加热过程中温度烧蚀前沿稠密等离子体子区的预热效应、临界面附近的限流效应,以及冕区的反扩散与限流效应,得到了经典Spitzer-Harm理论描述的电子热传导随自生磁场的演化情形。数值模拟表明:在线性强激光作用下,由于电子初始时刻的无规则热运动,在等离子体上激发电磁不稳定性,而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超热电子能量输运产生抑制作用。     

激光等离子体不稳定性的入射光强度效应

用3维粒子模拟程序研究了相对论强激光和高密度等离子体相互作用引起的电磁不稳定。数值模拟表明,在线偏振强激光作用下,等离子体表面出现了电磁不稳定性。形成的不稳定结构随时间发展和激光功率密度的增加进一步深入到等离子体内部,最终使等离子体表面处激发饱和自生磁场。这种由电子速度各向异性而产生的自生磁场对激光有质动力推开电子时所形成的电子热流产生抑制作用,并将直接影响电子加速效率。     

稠密等离子体表面不稳定性的入射光偏振态效应

用二维粒子模拟程序研究了相对论强激光和稠密等离子体相互作用引起的表面不稳定。数值模拟表明,在s偏振光作用下,等离子体表面出现了类瑞利泰勒不稳定性。形成的不稳定结构随时间发展进一步深入到等离子体内部,最终使等离子体密度形成分层泡状结构,并向前传播。这种不稳定的产生与初始等离子体密度有密切关系,在高于20倍临界密度等离子体的表面没有明显观察到这种不稳定。在p偏振激光作用下,等离子体表面不能明显地形成这种结构。因此在三维几何结构下,这种等离子体表面不稳定性将呈现各向异性。这种表面不稳定将直接影响高次谐波产生和离子加速效率。     

二维矩形波导管中的非线性声传播

本文采用部分波和二阶微扰理论对二维矩形波导管内声波的非线性传播问题进行了研究。由二次谐波的边界条件和初始条件，可得到物理图象清晰、便于计算的二次谐波声场解析式。结果表明，不同基波传播模式间的相互作用不存在二阶非线性，管内任意振幅分布的稳态激发源产生的二次谐波为各个模式二次谐波之和，且二次谐波声场分布具有对称性。     

非线性声场中的参量激发

本文基于求解单频声波方程近似解的方法,得到了非线性声场中谐波的声压与介质性质、初始声压幅值及频率之间的定量关系.并对两列相对声压幅值和相对频率不同情况下的声场分布进行了研究.通过分析单、双频声源辐射场中的谐波分布和传播规律发现:在非线性声场中会不断地出现新的谐波,激发的各阶谐波随着声波传播距离的增大逐渐增强而后减弱.在声源的附近,谐波的声压随基波声压振幅的增大而增大;但在基波的频率增大时反而会减小.在输入总声能相同的情况下,与单频声场相比双频声源辐射场的声能量分布较均匀,声的传播距离较大,远场中的谐波含量较大.结果表明,基波的频率越高,衰减得越快,谐波的积累越缓慢;声压的极值越大,基波声能量转移得越多,产生的谐波越多,基波的衰减越快,声压对远场声能的负效应增大;如果改用多频声源,并适当地控制输入声波的组成成分,可以达到改善声场分布均匀性、增大声辐射距离的效果.     

超热电子在稠密等离子体中输运的混合粒子模拟方法

相对论激光等离子体相互作用以及所产生的带电粒子束在高密度等离子体中的输运行为非常重要.该物理问题的数值模拟研究仍面临技术挑战.本文介绍一种粒子/流体混合模拟方法.该方法中超热电子采用动力学方法描述,背景冷的稠密等离子体采用简化的流体方程描述,适合于超热电子密度远小于背景电子密度,超热电子能量远大于背景电子温度.我们的三维并行混合模拟程序HEETS的模拟结果表明：背景材料的电离和电阻率模型至关重要,将严重影响高能电子输运过程的模拟.