激光在光致等離子體里的傳輸研究

1、激光在光致等離子體里的傳輸研究摘要：超快超強激光在等離子體中傳播時，會由于激光和等離子體的耦合發(fā)生各種復(fù)雜的相互作用，并且產(chǎn)生各種物理現(xiàn)象，例如自聚焦，自身相位調(diào)制，彎曲不穩(wěn)定性以及各種受激散射等等?，F(xiàn)代激光技術(shù)已經(jīng)可以在焦點處產(chǎn)生高達(dá)1020w；cm2的強激光場；同時，等離子體通道技術(shù)也已經(jīng)趨于成熟；而應(yīng)用方面，激光加速器，ICF快點火都已經(jīng)成為熱點應(yīng)用問題。這樣，對超快超強激光在等離子體以及等離子體通道中的傳播時產(chǎn)生的各種物理效應(yīng)的研究變得越來越重要。Abstract：Whiletheultra-fastultra-intenselaserstravelinplasmas,therewil

2、lbekindsofinteractionsbecauseofthecouplingbetweenlaserandplasma.Anditwillproducemanyphysicalphenomenasuchasself-focusing,self-modulation,hose-instabilityandstimulatedscattering.Laserswithintensityupto1020Wcm2inthefocuscanbemadeoutwiththemodernlasertechnology.Theplasmachanneltechnologyhasbeenpresente

3、dandverified.Ontheotherhand,theapplicationsaslaser-plasmaaccelerator,ICFfastignitionbecomethehotspotresearchrecently.Thustheinvestigationofultrafastultra-intenselasertravelinginplasmaandplasmachannelbecomesmoreandmoreimportant.1. 等離子體等離子體是由電子、離子、中性粒子所組成非束縛態(tài)宏觀體系，被稱為第四類物質(zhì)。當(dāng)原子（組成物質(zhì)基本單位）中電子克服原子核庫侖力束縛時，帶

4、正電荷原子核與帶負(fù)電荷電子可以相互共存，宏觀上整體表現(xiàn)為電中性，這種物質(zhì)形態(tài)就稱之為等離子體，或稱超氣態(tài)、電漿體。等離子體態(tài)物質(zhì)大量存在于我們身邊，并存在宇宙中99%重子成分物質(zhì)（BaryonicContent）都是處于等離子體態(tài)說法，雖然無法證明該說法準(zhǔn)確性，但其足以說明了等離子體物理重要性。在宇宙紀(jì)元初期，一切物質(zhì)都是以等離子體態(tài)存在1?，F(xiàn)在宇宙中，大量星體、星云及星際空間都充滿著等離子體態(tài)物質(zhì)。以太陽風(fēng)形式，太陽系同樣彌漫著等離子體，并由于地球磁場原因，這些等離子體態(tài)物質(zhì)被限制在地球周圍，最典型就是大氣電離層等離子體。一般可以將等離子體根據(jù)來源和空間尺寸分為以下三種類型：人工等離子體、地

5、球等離子體和天體等離子體。2. 激光成絲產(chǎn)生等離子體1995年,Braun等人首次發(fā)現(xiàn)了超強激光穩(wěn)定傳輸并產(chǎn)生等離子體通道。隨后成絲開始被廣泛的研究，不同功率的成絲，不同介質(zhì)中的成絲，啁啾脈沖成絲以及外加電場成絲，等等一系列的研究2-5。產(chǎn)生機理：R.YChiao等人自導(dǎo)引模型6，移焦模型7，1999,Mlejnek等人提出動態(tài)補給模型即：飛秒激光脈沖前沿部分由于產(chǎn)生自聚焦，其光強越來越高從而電離空氣分子形成等離子體；脈沖后沿和等離子體相互作用而產(chǎn)生散焦，而脈沖前沿部分由于多光子電離從而導(dǎo)致光強減弱。從而不再產(chǎn)生等離子體，伴隨著等離子體的消失，自聚焦效應(yīng)又重新占主導(dǎo)地位，光束又開始會聚，這個動

6、態(tài)過程一直持續(xù)，強激光脈沖的中心光強無數(shù)次地衰減，然后被補償，從而導(dǎo)致飛秒激光脈沖可以保持很高的強度傳輸很長的距離而不發(fā)生色散，直到脈沖的峰值功率不足以使光束發(fā)生自聚焦8。利用聲學(xué)診斷、熒光探測、電阻率測量和橫斷面成像等實驗方法觀察了激光成絲產(chǎn)生的等離子體現(xiàn)象。朱佳斌等發(fā)現(xiàn)外加高壓可以提高成絲產(chǎn)生的等離子體通道的壽命9。張杰用多激光脈沖的方法產(chǎn)生的等離子體壽命有顯著的增加10。3. 激光和等離子體相互作用自從第一臺紅寶石激光器問世以來，各種類型、各種波長激光器相繼被研制出來，并被廣泛地應(yīng)用于通信傳輸、遙感探測、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)加工和國防等眾多領(lǐng)域。隨著激光技術(shù)不斷發(fā)展，使得激光強度（比上世紀(jì)80

7、年代)提高了7個數(shù)量級。激光強度超過IO22Wcm2，激光電場達(dá)到1022vcm2，脈沖寬度達(dá)到飛秒量級強激光已經(jīng)被報道，在如此強電場作用下，激光和物質(zhì)相互作用必然會激發(fā)各種非線性效應(yīng)，已經(jīng)可以通過實驗進(jìn)行證實并加以應(yīng)用。其中激光和等離子體相互作用一直是科研關(guān)注焦點，大量試驗和理論工作圍繞它進(jìn)行展開，下面我們將根據(jù)激光和等離子體相互作用幾點主要應(yīng)用對其研究進(jìn)展作簡要說明。3.1. 快點火(FastIgnition,FI)1994年，Tabak等人首次提出利用超強激光脈沖啟動點燃熱核材料(氘氚燃料，DT)，從而給出"快點火”概念11。這個方案立刻引起廣泛關(guān)注，因為它提供了利用激光和重離

8、子束來實現(xiàn)慣性約束核聚ICF)途徑12，使慣性約束核聚變成為與磁約束核聚變(MCF)同樣重要核能獲取手段13。與標(biāo)準(zhǔn)聚焦沖擊波中心點火不同，ICF是利用一束電場強度高于1019w'cm2激光光束加熱部分預(yù)壓縮DT材料10-30ps，可以將燃料邊緣區(qū)域溫度加熱到6keV高溫，從而實現(xiàn)燃料點火。3.2. 電磁輻射產(chǎn)生(RadiationGeneration)電磁輻射產(chǎn)生來源于帶電粒子的加速過程。激光和等離子體相互作用會產(chǎn)生超高強度電磁場和高相對論能量帶電粒子，由于帶電粒子加速振蕩，輻射出其它頻率電磁波。而全波段電磁輻射光源能夠在國家安全防衛(wèi)、健康保健、甚至于文化保護(hù)(比如可以利用軟X射線對

9、藝術(shù)作品進(jìn)行探測)等多方面具有巨大應(yīng)用價值，使得人們逐漸對激光等離子體電磁輻射產(chǎn)生極大興趣和關(guān)注。3.2.1.X射線通過激光和等離子體相互作用產(chǎn)生X射線輻射是人們關(guān)注焦點之一。X射線對醫(yī)藥學(xué)、自然科學(xué)和工業(yè)技術(shù)帶來不可估量革新和影響。雖然應(yīng)用前景巨大，但是由于普通加速器尺寸和費用問題，現(xiàn)在世界上只有幾臺精細(xì)同步輻射設(shè)備。而利用激光等離子體相互作用也同樣可以實現(xiàn)X射線產(chǎn)生。由于強激光所激發(fā)等離子體波，不僅能夠加速電子，還可使電子發(fā)生扭動(WigglerTechnology)。在非線性機制影響下，X射線光束能夠被激發(fā)，它具有空間相干性、發(fā)射源尺寸為微米量級、具有10-100keV光子能量、毫弧度發(fā)

10、散、飛秒量級脈沖寬度等物理性質(zhì)。實驗上已經(jīng)證明，如果將100TW激光脈沖聚焦到氣體中，能夠得到空間尺寸為毫米量級X射線源，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于普通光源米量級尺寸，并且得到品質(zhì)接近于三級同步輻射所能得到X射線情況。利用超聲氣體噴射等離子體或固體靶材與強激光相互作用，產(chǎn)生MeV光子能量X射線衍射研究，在理論和實驗上都引起了科學(xué)工作者廣泛興趣14-16。3.2.2.高階諧波產(chǎn)生(High-orderHarmonicGeneration)當(dāng)高功率激光脈沖被相對論振蕩等離子體表面反射，就會產(chǎn)生一個寬頻、鎖模、光子能量達(dá)到keV量級諧波光譜。這種相干高階諧波產(chǎn)生來源于對愛因斯坦預(yù)測擴展理解，當(dāng)光被一面以接近光速移動理

11、想鏡面反射時，發(fā)射光會發(fā)生光頻率上移。當(dāng)強激光脈沖與陡峭真空-等離子體邊界相互作用時，激光脈沖電場會充分耦合到等離子體表面。近幾年，有關(guān)利用振蕩等離子體表面產(chǎn)生高階諧波，并通過此方法獲得高強度阿秒激光脈沖研究成為國內(nèi)外科學(xué)工作者關(guān)注焦點17-19。3.3激光尾流場加速(LaserWakefieldAcceleration)由于將電子加速到相對論能量是一件非?！鞍嘿F”工作，因此下一代粒子加速器尺寸將會有幾十甚至幾百千米長，可能會耗費幾百萬美元高額費用。但是如果利用激光等離子體中產(chǎn)生超高電場(可以達(dá)到幾百GV/m量級)加速電子，將會大大縮減器材尺寸和費用，在基礎(chǔ)實驗物理和技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域都是非常具有發(fā)

12、展前景和應(yīng)用價值。在激光等離子體中產(chǎn)生電場是普通加速器加速電場數(shù)千倍，就像沖浪選手從海波中獲取能量一樣，電子也能夠從等離子體波中獲取能量，進(jìn)行加速并獲得超高能量。強激光光束在等離子體中傳播時，等離子體中電子會在激光有質(zhì)動力(光壓)作用下發(fā)生位移，在移動過程中會形成各種等離子體波，而這些等離子體波將會以接近光速速度在激光脈沖后面進(jìn)行傳播。對于足夠大振蕩幅度等離子體波，在等離子體中電子能夠被等離子體波縱向電場俘獲，在很短距離內(nèi)，被加速到非常高能量。到目前為止，常見激光尾流場加速包括自調(diào)制激光尾流場加速(Self-modulatedLWFA,SM-LWFA)20和泡沫加速(BubbleAcceler

13、ation)21兩種。接下來我們就對LWFA研究進(jìn)展作簡要介紹。1978年，Tajima和Dawson提出了尾流波概念，并首次利用一維PIC算法模擬尾流波對被俘獲電子加速作用22。Dawson等人研究工作對波尾場加速領(lǐng)域產(chǎn)生巨大影響，對拍頻波加速(BeatWaveAcceleration,BWA)、激光尾流場加速(LWFA)、光子加速(PhotonAcceleration,PA)早期發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。但是由于高功率激光技術(shù)限制，直到CPA技術(shù)應(yīng)用在固體激光器上，LWFA才重新得到了人們關(guān)注23,24。理論方面，Bulanov,Berezhiani,Sprangle等人分別對LWFA一維非線性模

14、型進(jìn)行了研究擴展25-28，Sprangle,Esarey等人利用二維非線性LWFA理論分析了激光脈沖自洽演變過程29,30。實驗上，1993年，Hamster等人首次間接證明了LWFA機制中等離子體波存在31。之后，Marques和Siders等人分別利用探測脈沖和時間分辨頻域干涉技術(shù)32,33，直接測量到等離子體波幅度并與理論結(jié)果一致。2002年，Kotaki等人在密度約為1018cm-3氣體射流等離子體中觀察到激發(fā)相干尾流波，其電場強度高達(dá)20GV/m34。2004年，Nature上相繼發(fā)表了三篇利用實驗證明LWFA產(chǎn)生機理和過程文章35-37，因此得到了廣泛關(guān)注。2007年，Lu等人利

15、用三維非線性模型研究發(fā)現(xiàn)激光尾流波加速電子束可以獲得GeV能量38。此后利用頻域全息技術(shù)，科學(xué)工作者能夠?qū)す馕擦鞑ńY(jié)構(gòu)進(jìn)行可視化表征。關(guān)于LWFA加速電子，Amiranoff等人利用3.5TW激光對入射電子進(jìn)行加速，使其能量增加1.6MeV39。Kitagawa等人利用波長為1卩m激光激發(fā)等離子體波并觀察等離子體加速40。通過激光尾流場加速得到高能量電子束在放射性照相技術(shù)、放射性同位素產(chǎn)生、核物理領(lǐng)域及核廢料降解處理等方面有巨大潛在應(yīng)用價值。4. 激光在等離子體中非線性傳輸特性研究上述激光和等離子體相互作用及應(yīng)用，都涉及到激光在等離子體中傳播這一基本問題，科研工作者都希望激光能夠在等離子體中

16、保持高能量長距離傳播，同時作為一種復(fù)雜結(jié)構(gòu)介質(zhì)，激光和等離子體相互作用引發(fā)各種非線性效應(yīng)同樣引起了廣泛關(guān)注。研究激光在等離子體里傳輸?shù)氖侄沃饕欣碚摲治?、?shù)值模擬和實驗分析。4.1.理論分析2007年，劉明偉等人利用變分法研究激光強度對激光在非均勻等離子體中相對論聚焦傳輸特性影響41。Jha等人用變分法研究激光脈沖在等離子體通道中傳輸特性，著重考慮相對論非線性和群速度色散效應(yīng)影響42。Upadhyay等人研究橫向有質(zhì)動力非線性對超短脈沖在等離子體通道中傳播方式影響和對正弦激光脈沖在等離子體通道中傳輸進(jìn)行了研究43,44。Jha等人研究啁啾高斯激光在拋物線型電子密度分布等離子體通道中傳輸?shù)男袨?

17、5。Jha等人利用SDE方法研究強激光光束在低密度磁等離子體中自聚焦效應(yīng)46以及在軸向外加磁場、低密度冷等離子體中，左、右圓偏振激光光斑傳播變化特征，并且得到了非線性自聚焦傳輸激光臨界功率47°Hafizi等人用SDE方法研究相對論效應(yīng)對激光在等離子體通道中傳輸特性影響48。2011年,Niknam等人利用微擾法研究強電磁光束在碰撞磁化等離子體中自聚焦傳輸特性，考慮相對論非線性結(jié)合有質(zhì)動力非線性，將等離子體電子密度和速度作三階微擾展開，發(fā)現(xiàn)等離子體碰撞頻率和外加磁場能夠加強激光光斑聚焦49oVarshney等人研究相對論機制下圓偏振激光在磁化等離子體中傳輸機制，其中等離子體磁場是由相

18、對論強激光脈沖產(chǎn)生50。上述研究分析較多復(fù)雜的非線性效應(yīng)，但是缺乏對與等離子體通道效應(yīng)的單獨研究。因為激光在等離子體里傳輸，預(yù)等離子體通道效應(yīng)是最重要的，因此有必要單獨研究預(yù)等離子體通道對激光傳輸?shù)挠绊憽?.2數(shù)值模擬(Particle-in-cell)Naseri等人利用2DPIC方法模擬了激光脈沖在低密度等離子體傳輸時相對論自聚焦和自隧道效應(yīng)，著重研究激光能量和等離子體電子密度影響51。Wang等人利用3DPIC模擬方法計算了相對論強度高斯短脈沖激光在等離子體中傳輸形狀改變52。2012年，F(xiàn)riou等人利用2DPIC方法模擬了寬脈沖(大于10ps)、相對論強度激光在低密度等離子體中隧穿動

19、力學(xué)問題，他們提出了五種不同隧穿方式，并給出其分別對應(yīng)激光和等離子體參數(shù)53。4.3. 實驗分析1995年，Monot等人利用托馬斯散射，首次在實驗中觀察到強激光脈沖在低密度等離子體中自隧道傳播特性54。1997年，Krushelnick等人利用一束2TW、亞皮秒激光脈沖在氫氣射流中形成等離子體隧道，將另一束激光脈沖隨后入射，發(fā)現(xiàn)它能夠在等離子體隧道中聚焦并長距離傳播(20倍瑞利長度)55。1998年，Chen等人利用探測光譜儀記錄了激光脈沖在射流等離子體中傳輸時不同時刻徑向和軸向分布及等離子體電子密度分布56。2000年，Najmudin等人對強激光脈沖在低密度等離子體中傳輸進(jìn)行了深入實驗研

20、究，通過自散射圖像發(fā)現(xiàn)了3.5mm強激光通道和電子加速57。2013年，譚超等人利用連續(xù)光在成絲產(chǎn)生的等離子體中傳輸演化得到環(huán)形光束58。由于激光在等離子體里傳輸時，很多效應(yīng)共存，所以實驗上很難單獨分析某一效應(yīng)的影響。5. 結(jié)論本文最要是針對激光成絲產(chǎn)生等離子體，以及激光在等離子體里的傳輸問題進(jìn)行了探討。由于激光在等離子體里傳輸存在很多中非線性效應(yīng)，如相對論非線性，有質(zhì)動力非線性，與等離子體通道，以及電子的電離、碰撞、吸收等等一系列的效應(yīng)從實驗上難單獨分析某一個效應(yīng)對激光傳輸?shù)挠绊?，我們認(rèn)為只有系統(tǒng)的分析清楚某一個效應(yīng)的影響才能更加清晰的分析激光在等離子體里的傳輸規(guī)律。參考文獻(xiàn)1 Fitzpa

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