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(dòng)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(guó)極度關(guān)注的焦點(diǎn)。在以軍事武器裝備、國(guó)防安全為目的的巨資投入、探索創(chuàng)新研究的帶動(dòng)下，形成了學(xué)術(shù)界強(qiáng)場(chǎng)物理、強(qiáng)場(chǎng)化學(xué)、極端條件產(chǎn)生等當(dāng)今國(guó)際上相對(duì)獨(dú)立的三個(gè)重大研究前沿。近二十年的研究進(jìn)展速度驚人，并開(kāi)始步入應(yīng)用。物質(zhì)在強(qiáng)激光場(chǎng)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(guò)程本質(zhì)上是由激光電磁場(chǎng)和等離子體靜電場(chǎng)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(chǎng)作用下必然發(fā)生極化，從而產(chǎn)生極化場(chǎng)。原子極化場(chǎng)(束縛電子相關(guān))及其與激光電磁場(chǎng)、等離子體靜電場(chǎng)(自由電子相關(guān))在相互耦合中的競(jìng)爭(zhēng)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(wú)損傷閾值的特殊物質(zhì)形態(tài)，帶電粒子復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致各種形式的電磁輻射，通過(guò)超短強(qiáng)激光脈沖對(duì)等離子體的激勵(lì)作用來(lái)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(duì)上述兩個(gè)方面開(kāi)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(shí)的群速度和相速度，在相互作用過(guò)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(duì)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(shí)，原子極化場(chǎng)的存在，會(huì)在部分離化等離子體中形成正常色散和反常色散的競(jìng)爭(zhēng)，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(duì)原子或部分剝離原子(離子)在強(qiáng)激光場(chǎng)作用下的電離問(wèn)題，討論了電離過(guò)程對(duì)激光頻率的調(diào)制作用。我們發(fā)現(xiàn)，氣體原子在激光場(chǎng)

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(duì)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(duì)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(chǎng)，討論了部分剝離原子極化場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)自生磁場(chǎng)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(shí)，原子極化場(chǎng)的存在會(huì)使回旋自生磁場(chǎng)大大增強(qiáng)，尤其重要的

6、是會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)方向的改變，這將引起超熱電子輸運(yùn)的散束現(xiàn)象，對(duì)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(guò)超短激光脈沖驅(qū)動(dòng)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(jí)； 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(guò)對(duì)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(shí)，能夠產(chǎn)生Cherenkov型強(qiáng)THz電磁輻射。 本學(xué)位論文的主要?jiǎng)?chuàng)新為： 1．揭示了部分剝離原子的極化場(chǎng)對(duì)激光一等離子體中準(zhǔn)靜態(tài)自生磁場(chǎng)的重要修正作用，尤其是極化場(chǎng)會(huì)改變自生磁場(chǎng)方向的結(jié)論屬首次報(bào)道； 2．揭示了部分剝離原子的極化在相互作用中對(duì)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