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。     

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。     

超短超强激光在稀薄等离子体中的自聚焦传输

开展超短超强激光与次稠密等离子体相互作用实验,采用探针光对激光等离子体相互作用区域进行阴影成像,研究了不同激光功率与临界功率比值及不同激光脉冲长度与等离子体波波长比值下的激光在次稠密等离子体中的自聚焦传输。结果表明:相对论效应是超短脉冲在次稠密等离子体中的主要自聚焦机制,激光功率与临界功率比值是影响超短脉冲在次稠密等离子体中形成自聚焦的关键条件。     

时频分布技术在激光与等离子体相互作用粒子模拟诊断中的应用

在对超短超强激光与等离子体相互作用进行粒子模拟诊断的研究中,输出量普遍为时间或空间上的非平稳信号。将时频分布技术引入粒子模拟结果的诊断,指出用时频分布技术等现代信号处理技术诊断模拟结果中的非平稳信号具有重要意义。作为实例,考察了用线性啁啾激光打靶条件下,包含nc/4(nc为等离子体临界密度）的非均匀等离子体区域中的受激拉曼散射的演化,并用时频分布技术得到了清晰的物理图像。     

超短强激光脉冲驱动等离子体波加速电子方案

随着超短脉冲激光技术的发展, 人们可以在台面尺度获得光强超过10¹⁸W/cm²、脉宽小于100fs的超短脉冲激光.超短脉冲激光很容易把静止的电子加速到兆电子伏的能量. 而更重要的是超短激光脉冲可以通过其有质动力激发大振幅的等离子体波(称为激光尾波场), 后者可以在毫米空间尺度把电子加速到上百兆电子伏的能量.文章将介绍激光尾波场加速电子的物理机制和方案、这个领域的最新进展、以及目前存在的问题.     

超短脉冲强激光等离子体的反常表面吸收

 用二维多时标全电磁相对论粒子模拟程序对高强度超短脉冲激光对等离子体的反常表面吸收加热机制进行了模拟研究,给出了合理的物理图象。     

超短脉冲强激光等离子体的反常表面吸收

用二维多时标全电磁相对论粒子模拟程序对高强度超短脉冲激光对等离子体的反常表面吸收加热机制进行了模拟研究,给出了合理的物理图象。     

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。     

Simulation of a chirped femtosecond relativistic laser pulse interaction with underdense plasma by using a hydrodynamic approach

A chirped laser pulse indicates that the laser frequency changes over the duration of the pulse: a positively (negatively) chirped pulse implies that the laser frequency increases (decreases) with time. In this paper, we use a simplified, fully relativistic hydrodynamic approach to simulate the influence of chirp on the propagation of a femtosecond relativistic laser pulse in underdense plasma. Based on this simplified cold‐fluid model, the influence of chirp on the main dynamics of the laser pulse, such as self‐steepening, red‐shift in the leading edge, variation of the frequency chirp, and the generated wakefields can be studied self‐consistently. The simulation results show that a pulse with a positive chirp results in a larger increment in the intensity parameter a₀ when propagating a certain distance into an underdense plasma compared with an un‐chirped and a negatively chirped pulse, which is largely because of a much greater forward shift of the peak amplitude and more severe pulse self‐steepening effect due to the frequency red‐shift at the leading edge when exciting a plasma wave. The ponderomotive force, which relates to the first‐order differential of the laser pulse intensity envelope, is expected to be stronger for a positively chirped pulse because of its steeper leading edge and larger intensity parameter a₀. As a result, the wakefield driven by the positively chirped laser pulse is more intense than that driven by an un‐chirped and a negatively chirped laser pulse, which is confirmed by our self‐consistent hydrodynamic simulation.     

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     

强激光与锥型结构靶相互作用准直电子束粒子模拟研究

利用PIC(particle-in-cell)方法模拟研究了超短强激光与锥型三明治结构靶相互作用快电子束的产生和传输,并与锥通道靶、锥丝靶和锥靶在相同激光参数下的作用结果进行了比较.研究发现强激光与锥三明治靶作用产生的快电子能被不同密度材料产生的准静态界面强磁场有效地准直传输.相对其他三种锥型结构靶,锥三明治靶能产生更多数目及更高能量的快电子,提高了激光到快电子的能量转换效率和快电子束的品质,这对快点火能量沉积是有利的.     

相对论强流长脉冲速调管放大器

为了研制高功率长脉冲速调管放大器,对其输入腔进行了3维粒子模拟研究。建立了S波段速调管放大器输入腔开放腔的3维模型,计算了开放腔的谐振频率和有载Q值。将束压束流从原来的600 kV,5.4 kA提高到837 kV,12.48 kA,实现了长脉冲100 ns的稳定运行,调制束流与实验结果一致。在结构不变的情况下,将束压束流提高到900 kV,16 kA时出现了模式竞争,只能稳定运行到50 ns。为了克服模式竞争,将耦合孔改为对称的双耦合孔后,输入腔系统可以稳定运行到100 ns。     

相对论强流长脉冲速调管放大器

 为了研制高功率长脉冲速调管放大器,对其输入腔进行了3维粒子模拟研究。建立了S波段速调管放大器输入腔开放腔的3维模型,计算了开放腔的谐振频率和有载Q值。将束压束流从原来的600 kV,5.4 kA提高到837 kV,12.48 kA,实现了长脉冲100 ns的稳定运行,调制束流与实验结果一致。在结构不变的情况下,将束压束流提高到900 kV,16 kA时出现了模式竞争,只能稳定运行到50 ns。为了克服模式竞争,将耦合孔改为对称的双耦合孔后,输入腔系统可以稳定运行到100 ns。     

尾波场与相对论效应对激光脉冲自相位调制及频移影响的比较研究

对共振和非共振情形下尾波场效应与相对论效应对强激光脉冲在稀薄等离子体中传输的影响 作了详细比较.尾波场效应导致脉冲自相位调制的不对称性，其大小与初始脉冲形状和脉宽 大小有关.在长脉冲极限下，尾波场效应远小于相对论效应，从而可以忽略；在短脉冲极限 下，尾波场效应可以抵消相对论效应.在共振情况下，尾波场效应导致脉冲内大部分光子减 速. 关键词： 脉冲传输 等离子体 相对论效应 尾波场效应 自相位调制     

相对论绕射辐射振荡器的三维粒子模拟

开展了具有同轴波纹渐变式反射器与光滑漂移段结构的相对论绕射辐射振荡器的研究,并运用全三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟仿真,分析了漂移段、反射器等结构对输出功率的影响,探讨了反射器位置和输出功率的关系。仿真结果表明:合适的漂移段与反射器的引入,能大大提高输出功率。优化结构参数,在输入电压480kV下,平均输出功率达到774.5MW,平均功率效率为32.3%。     

相对论绕射辐射振荡器的三维粒子模拟

开展了具有同轴波纹渐变式反射器与光滑漂移段结构的相对论绕射辐射振荡器的研究,并运用全三维粒子模拟软件CHIPIC对其进行数值模拟仿真,分析了漂移段、反射器等结构对输出功率的影响,探讨了反射器位置和输出功率的关系。仿真结果表明：合适的漂移段与反射器的引入,能大大提高输出功率。优化结构参数,在输入电压480 kV下,平均输出功率达到774.5 MW,平均功率效率为32.3%。     

X波段短脉冲相对论返波管设计与初步实验

对基于短电子束脉冲超辐射机理的X波段相对论返波管进行了优化设计和粒子模拟,结果表明：在超辐射机理作用下,该器件能实现高峰值功率和高功率转换效率的微波辐射。在小型Tesla脉冲源基础上设计了阻抗变换段、二极管、磁场系统等装置,建立了一套小型窄脉冲电子加速器,以此为实验平台在低磁场条件下进行了器件的初步实验研究。在磁场0.73 T、束压约380 kV、束流约4.5 kA、脉宽3.1 ns条件下,实验获得的微波脉冲峰值功率约360 MW,脉宽1.10 ns,上升沿800 ps,频率9.15 GHz,功率转换效率为21%。     

基于粒子模拟和并行遗传算法的高功率微波源优化设计

提出了基于粒子模拟和并行遗传算法的高功率微波源优化设计方法, 以全电磁粒子模拟软件UNIPIC模拟的高功率微波器件输出功率作为适应度函数, 采用浮点数编码的遗传算法对高功率微波源器件进行优化. 采用该算法, 对相对论返波管的布拉格反射器位置以及高度进行了浮点数编码,然后在巨型机上进行参数的全局优化, 获得了该返波管布拉格反射器的全局最优参数. 关键词： 并行遗传算法 相对论返波管 粒子模拟 高功率微波源