超短脈沖強(qiáng)激光等離子體中的參量調(diào)制與電磁輻射.pdf

1、高能量超強(qiáng)超短脈沖激光的出現(xiàn)，迅速地推動了慣性約束核聚變(ICF)研究的發(fā)展。ICF“快點(diǎn)火”概念的提出，使超強(qiáng)超短脈沖激光與等離子體的相互作用研究成為世界各強(qiáng)國極度關(guān)注的焦點(diǎn)。在以軍事武器裝備、國防安全為目的的巨資投入、探索創(chuàng)新研究的帶動下，形成了學(xué)術(shù)界強(qiáng)場物理、強(qiáng)場化學(xué)、極端條件產(chǎn)生等當(dāng)今國際上相對獨(dú)立的三個重大研究前沿。近二十年的研究進(jìn)展速度驚人，并開始步入應(yīng)用。物質(zhì)在強(qiáng)激光場作用下發(fā)生電離是上述三大前沿領(lǐng)域在研究中必遇的共性現(xiàn)象

2、，通常將激光電離產(chǎn)生的等離子體視為完全離化的帶電粒子，相互作用體系所有的線性與非線性物理過程本質(zhì)上是由激光電磁場和等離子體靜電場支配。但在實(shí)際的相互作用中，尤其是在高Z物質(zhì)靶產(chǎn)生的等離子體中，靶原子卻難以完全電離。部分離化的原子(離子)在激光場作用下必然發(fā)生極化，從而產(chǎn)生極化場。原子極化場(束縛電子相關(guān))及其與激光電磁場、等離子體靜電場(自由電子相關(guān))在相互耦合中的競爭如何修改相互作用研究的已有結(jié)果以及將導(dǎo)致什么新的物理現(xiàn)象，是人們關(guān)注

3、的熱點(diǎn)。另外，等離子體是一種無損傷閾值的特殊物質(zhì)形態(tài)，帶電粒子復(fù)雜的運(yùn)動會導(dǎo)致各種形式的電磁輻射，通過超短強(qiáng)激光脈沖對等離子體的激勵作用來產(chǎn)生人們極力尋找的高功率電磁輻射源，尤其是高功率太赫茲(THz)輻射源，成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本學(xué)位論文正是針對上述兩個方面開展理論研究： 1．推導(dǎo)出強(qiáng)激光脈沖在部分離化等離子體中傳播時的群速度和相速度，在相互作用過程中光子數(shù)守恒的假設(shè)下，研究了部分剝離原子極化對激光脈沖的自聚焦、光子加速、縱向

4、壓縮、以及調(diào)制不穩(wěn)定性等物理現(xiàn)象的非線性作用。結(jié)果表明，在部分離化等離子體中，激光脈沖的自聚焦和光子加速比完全離化等離子體中要快得多，同時，原子極化場的存在，會在部分離化等離子體中形成正常色散和反常色散的競爭，從而導(dǎo)致通常的脈沖縱向壓縮和調(diào)制不穩(wěn)定性現(xiàn)象發(fā)生大的變化； 2．從激光在等離子體中傳播的色散關(guān)系出發(fā)，針對原子或部分剝離原子(離子)在強(qiáng)激光場作用下的電離問題，討論了電離過程對激光頻率的調(diào)制作用。我們發(fā)現(xiàn)，氣體原子在激光場

5、中的電離快慢，決定介電函數(shù)的響應(yīng)速率，從而也決定了電離對激光脈沖頻率產(chǎn)生調(diào)制的快慢，在部分離化等離子體中，激光頻率越高，部分離化原子的極化對激光頻率藍(lán)移的貢獻(xiàn)也越大； 3．從麥克斯韋方程組和流體方程出發(fā)，采用微擾理論研究了強(qiáng)激光脈沖與部分離化等離子體相互作用產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)磁場，討論了部分剝離原子極化場對準(zhǔn)靜態(tài)自生磁場的修正。結(jié)果顯示，在高密度部分離化等離子體中，當(dāng)激光頻率較高時，原子極化場的存在會使回旋自生磁場大大增強(qiáng)，尤其重要的

6、是會導(dǎo)致磁場方向的改變，這將引起超熱電子輸運(yùn)的散束現(xiàn)象，對超熱電子“快點(diǎn)火，J極為不利； 4．根據(jù)達(dá)朗伯方程，探索了超短強(qiáng)激光脈沖在等離子體中誘導(dǎo)THz輻射的可能性，找出了THz輻射產(chǎn)生的條件。研究表明，通過超短激光脈沖驅(qū)動的等離子體電流，在激光脈沖群速度大于輻射波相速度的條件下可以產(chǎn)生強(qiáng)THz電磁輻射，輻射頻率約為激光脈寬的倒數(shù)量級； 5．從強(qiáng)激光脈沖作用下等離子體的介電函數(shù)出發(fā)，通過對激光產(chǎn)生快電子的Cherenko

7、v輻射的研究，發(fā)現(xiàn)了THz波發(fā)射的另一種產(chǎn)生途徑。結(jié)果證明，在快電子速度略小于激光脈沖群速度時，能夠產(chǎn)生Cherenkov型強(qiáng)THz電磁輻射。 本學(xué)位論文的主要創(chuàng)新為： 1．揭示了部分剝離原子的極化場對激光一等離子體中準(zhǔn)靜態(tài)自生磁場的重要修正作用，尤其是極化場會改變自生磁場方向的結(jié)論屬首次報道； 2．揭示了部分剝離原子的極化在相互作用中對激光脈沖的參量調(diào)制規(guī)律； 3．從理論上證明了強(qiáng)激光脈沖在等離子體中能