超强激光脉冲下等离子体块的整体加速研究

为了克服激光加速中强流离子束空间电荷效应对粒子输运的影响,提出一种利用两块不同密度的固体靶先后和一束强度约为1022 W/cm2、脉冲长度为5T(T为激光周期)的超强脉冲激光相互作用的方案,实现了中性等离子体块的加速。通过一维PIC数值模拟研究发现,在合适的参数下,加速后的电子与质子几乎以相同的速度共同飞行长达60（为激光波长）的距离,其中质子与电子的能量分别为GeV和100 MeV量级。     

超强激光脉冲下等离子体块的整体加速研究

为了克服激光加速中强流离子束空间电荷效应对粒子输运的影响,提出一种利用两块不同密度的固体靶先后和一束强度约为1022 W/cm2、脉冲长度为5T(T为激光周期)的超强脉冲激光相互作用的方案,实现了中性等离子体块的加速。通过一维PIC数值模拟研究发现,在合适的参数下,加速后的电子与质子几乎以相同的速度共同飞行长达60λ(λ为激光波长)的距离,其中质子与电子的能量分别为GeV和100MeV量级。     

激光脉冲和电子束对撞准确度的测量方法

超强激光脉冲与相对论电子束相互对撞是当前主要的强场量子电动力学（QED）实验手段。如何测量超强激光脉冲和电子束对撞的准确度,进而实现微米精度的准确对撞,是目前限制实验发展的重要因素。利用蒙特卡罗数值模拟方法,系统研究了超强激光脉冲和相对论电子束相互对撞过程,重点关注了电子和辐射光子动力学信息与激光脉冲和电子束对撞偏移量之间的对应关系。研究发现:辐射光子的空间分布信息,可以有效反映出激光脉冲和电子束的对撞偏移量。基于该研究结果,实验中可利用光子空间分布的信息,实现对激光脉冲和电子束对撞准确度的调节,从而有望促进强场QED实验技术的发展。     

基于激光等离子体的X/γ辐射研究进展

随着激光技术的不断发展,激光功率突破10 PW量级,激光与物质相互作用进入近量子电动力学（QED）范畴。从弱相对论激光到相对论激光再到强相对论激光,激光场与物质的耦合可以产生能量从keV到MeV甚至GeV的X/γ射线。这些辐射具有通量大、亮度高、能量高和脉宽短等特点,在核物理、高能量密度物理、天体物理等基础研究以及材料科学、成像、医学等领域具有广泛应用前景。系统梳理了近年来相对论强激光与气体、近临界密度等离子体及固体靶相互作用,通过诸如同步辐射、betatron和类betatron辐射、Thomson散射和非线性Compton散射过程等产生高能X/γ射线的最新研究进展,总结了各种方案产生的X/γ射线的品质因子和潜在应用,并为下一步基于强激光大科学装置的实验研究提供理论参考。     

激光参数影响太赫兹辐射的数值模拟

 利用2维PIC程序模拟了聚焦激光脉冲垂直入射非均匀等离子体,在界面激发超强太赫兹辐射的物理过程,研究了激光强度、脉宽和焦斑半径对太赫兹辐射功率和频率的影响,并和模式转换理论作了对比。结果表明:激光强度是影响太赫兹辐射功率的主要因素;当脉宽在等离子体波长附近时,激起的静电波振幅最大,此时对应的太赫兹辐射最强;同时存在一个最优的焦斑半径,使得辐射功率最大。     

极强激光场驱动超亮伽马辐射和正负电子对产生的研究进展

高功率超短超强激光脉冲的诞生开启了相对论非线性光学、高强场物理、新型激光聚变、实验室天体物理等前沿领域.近年来,随着数拍瓦级乃至更高峰值功率激光装置的建成,超强激光与等离子体相互作用进入到一个全新的高强场范畴.这种极强激光场与等离子体相互作用蕴含着丰富的物理过程,除了经典的波与粒子作用、相对论效应、有质动力效应等非线性物理过程外,量子电动力学(QED)效应变得格外重要,例如辐射阻尼效应、正负电子对产生、强伽马射线辐射、QED级联、真空极化等.本文主要介绍我们近年来在极端强激光场与等离子体相互作用中激发的QED效应以及伴随的超亮强伽马射线辐射和稠密正负电子对产生等方面的研究进展.     

超强激光与固体靶作用驱动量子电动力学级联和稠密正电子产生的研究进展

极端超短超强激光脉冲的诞生将光与物质的相互作用推进到由辐射阻尼效应和量子电动力学（QED）效应占主导的高度非线性物理范畴。强场QED效应蕴含了丰富的物理过程包括辐射阻尼、高能伽马辐射、正负电子对产生、QED级联、真空极化等,是高能量密度物理和强场物理研究领域的前沿热点。QED级联是解释致密天体辐射和伽马射线暴形成的重要物理机制,其产生的稠密正电子源在高能物理、材料无损探测、癌症诊断等领域亦有重要的应用前景。介绍了QED级联过程及其理论模型,讨论了固体靶中的QED级联发展及其诱导的非线性物理效应,并回顾了固体靶中稠密正电子产生的主要研究成果。     

多脉冲激光增强太赫兹辐射的PIC模拟

 模拟了强激光和稀薄非均匀等离子体相互作用在界面辐射超强太赫兹波的物理过程,提出了利用多脉冲激光增强太赫兹辐射的方案,详细研究了多脉冲激光的脉冲个数（取１～４个）、脉冲间距等因素对太赫兹辐射功率和频率的影响。当入射激光包含4个脉冲时,辐射最强,此时的辐射功率是相同条件下单脉冲的6倍,可达到7.16 MW,辐射的太赫兹波的脉宽约为330 fs,总能量约为1 μJ。研究结果表明:多脉冲激光可以显著增强太赫兹辐射,且随着脉冲个数的增加,激起的电子静电波振幅变大,辐射功率也随之变大,直到尾流场饱和;当脉冲间距等于入射激光脉宽时辐射最强。     

场极化方向对强激光加速电子效应的影响

模拟研究了光场极化方向对自由电子与线偏振强激光束间发生净能量交换(非弹性散射及加速效应)的影响.研究结果表明,当光场强度0.1≤a₀≤1时(a₀=eE₀/m_ecω),电子在激光束上的散射呈现弱的非弹性效应,且与场的线偏振极化方向无关,表现为空间各向同性,与有质动力势模型的结果定性一致.而当a₀≥10时,电子与光场间的净能量交换不仅变得明显,而且依赖于电子入射方向与场极化面之间的夹角.当电子沿电场极     

超强激光驱动的辐射反作用力效应与极化粒子加速

光强超过10~(22) W/cm~2的极端超强激光将光与物质的相互作用推进到辐射主导区域,激发高能伽马光子辐射,产生明显的辐射反作用力效应.辐射反作用力可以显著影响强场中带电粒子的动力学行为,并从根本上改变了极端强场区域的激光等离子体相互作用规律.如何理解和验证辐射反作用力效应是强场物理研究的核心内容之一.本文结合该方向的国内外研究进展,论述了辐射反作用力的经典形式与强场量子电动力学的理论计算与模拟方法,详细讨论了单粒子在强场中的反射、量子随机辐射、自旋-辐射耦合等效应,介绍了激光等离子体相互作用中的电子冷却、辐射俘获、高效伽马辐射等机制,并给出了目前辐射反作用力效应的实验验证方法与进展.针对自旋在强场量子电动力学方面的效应,介绍了激光加速产生极化粒子源的方法.     

Upper limit on the transition temperature for non-ideal Bose gases

In this paper, we show that for a non-ideal Bose gas there exists an upper limit on the transition temperature above which Bose-Einstein condensation cannot occur regardless of the pressure applied. Such upper limits for some realistic Bose gases are estimated.     

Impact of non-ideal transport modeling on supercritical flow simulation

The simulation of a supercritical fluid flow requires sophisticated models for real gas thermodynamic and non-ideal phenomena. They both are presently addressed through the simulation of a non-reacting and reacting high pressure H₂/O₂ splitter-plate configuration. In particular, the diffusion velocity of species is evaluated through the gradient of chemical potential (${\mathbf{d}}_l^{\text{NI}}=X_l{\left(?{\mu }_l\right)}_T$) expressed with the Peng–Robinson equation of state, or with the classical low-pressure approach ${\mathbf{d}}_l^{\mathrm{I}}=?X_l,$ which only uses the gradient of the lth species molar fraction, X_l. In addition, the high pressure binary diffusion coefficients are estimated by the correction of Kurochkin et al. or with the Takahashi approach. The results for the non-reaction case are consistent with the literature for mean and rms values using ${\mathbf{d}}_l^{\mathrm{I}}$. The use of ${\mathbf{d}}_l^{\text{NI}}$ has a limited impact but the temperature profiles become steeper. In the reactive case, the two approaches lead to a difference of 50 K on the average temperature just downstream of the injector and about 100 K further downstream. A non-ideal transport is then required for the modeling of supercritical flow simulation.     

非理想氢原子束真空环境长程传输模拟研究

模拟研究了非理想氢原子束在真空环境下的长程传输效应。根据中性化程度的不同,将非理想束分为欠中性束和过中性束。通过建立束流传输的准电磁模型,研究了束流密度、中性化因子、空间磁场和弹性散射等因素对非理想氢原子束的影响。结果表明:对于欠中性束,负氢离子的存在对氢原子的传输几乎没有影响,因此欠中性束的发射装置可以考虑去除偏置磁场,以减小设备体积和质量;对于过中性束,束流损失率与束流密度和中性化因子有关,即束流密度越大,束流损失越大;中性化因子越高,束流损失就越高;而无论是欠中性束还是过中性束,空间磁场和粒子间的弹性散射对其传输都没有影响。     

On the space translation method at high laser fields: Upper limit intensity

A detailed discussion on the validity domain of the space translation method using the dipole approximation for the laser field is presented.     

强激光腔镜温升对腔几何参数和远场光强的影响

利用交替方向隐式有限差分法分析了高能激光器虚共焦非稳腔反射镜的温度场及热变形的数值计算方法。以单晶硅为例,计算了反射镜由于吸收激光能量而形成的温度场分布以及由此引起的热变形对谐振腔几何结构参数的影响,并在此基础上数值模拟了热畸变情况下正支虚共焦非稳腔的远场光强分布。计算结果表明:在激光束辐照的开始阶段,温升场主要集中在激光束辐照的中心区域内,在整个镜面上远未拉平,由此引起的厚度方向温升分布也是如此,很不均匀。     

强激光腔镜温升对腔几何参数和远场光强的影响

 利用交替方向隐式有限差分法分析了高能激光器虚共焦非稳腔反射镜的温度场及热变形的数值计算方法。以单晶硅为例,计算了反射镜由于吸收激光能量而形成的温度场分布以及由此引起的热变形对谐振腔几何结构参数的影响,并在此基础上数值模拟了热畸变情况下正支虚共焦非稳腔的远场光强分布。计算结果表明:在激光束辐照的开始阶段,温升场主要集中在激光束辐照的中心区域内,在整个镜面上远未拉平,由此引起的厚度方向温升分布也是如此,很不均匀。     

关于静电屏蔽上限的讨论

将导体壳放入外电场中,导体会在表面产生感应电荷,并达到静电平衡状态,导体壳腔内的电场处处为零,这就是静电屏蔽效应.然而,如果外电场极强,或者导体内部的自由电荷太少,以至于感应电场不能完全抵消外电场,则静电屏蔽效应将失效,这就是静电屏蔽的上限问题.本文从静电屏蔽的原理出发,将导体壳简化为一对平行金属平板的模型,定量的讨论了这一问题.通过计算我们发现,由于金属内存在大量的自由电子,在非极端问题中,宏观的导体装置都远远不会遇到静电屏蔽的上限问题.     

The intensity response on the input fluctuations of the active medium parameters in the fast flow laser

The problem of the intensity fluctuation magnitude in a fast-flow laser is considered. The intensity modulation may be connected with input fluctuations of the active medium gain. We show that the intensity response in a laser with an unstable resonator has resonant peaks at the characteristic frequencies 2πnv_o/l(n = 1, 2, …) and that it is larger than in a laser with a stable resonator.     

Gain and saturation intensity parameters in a transverse-flow CO2 laser

Details of an experimental investigation of the output characteristics of the 1.2 kW cw transverse-flow, electrically excited CO₂ laser are presented. They were used for estimation of the saturation intensity and the laser cavity loss values, as they follow from the Rigrod-type model of laser operation. The saturation intensity parameter was calculated from measurements of the output power and small signal gain performed with the same experimental conditions. Measurements of the small signal gain were conducted at different points along the gas flow direction for several laser operational parameters described by gas pressure and input electrical power.