淺析激光等離子體相互作用原理

1、淺析激光等離子體相互作用原理一、摘要超強(qiáng)激光脈沖與等離子體相互作用是近幾年新興的前沿學(xué)科，它在激光蒸發(fā)沉積、激光推進(jìn)、新型的粒子加速器、超快高能X射線光源和“快點(diǎn)火”慣性約束聚變等方面，都有著廣泛的應(yīng)用前景。因此，激光等離子體相互作用的研究是十分必要的。論文中我們闡述了激光等離子體的性質(zhì)相互作用。通過建立簡(jiǎn)化的物理模型,即將部分電離的等離子體簡(jiǎn)化為類氫離子討論了激光等離子體相互作用物理和超短超強(qiáng)激光等離子體相互作用。最后，我們根據(jù)得到的一些相關(guān)結(jié)論簡(jiǎn)單的描述了激光等離子體的一些應(yīng)用。關(guān)鍵詞：激光等離子體二、介紹人類對(duì)等離子體的研究從氣體放電開始。1879年,英國(guó)的Crookes首先發(fā)現(xiàn)氣體放電

2、管中的電離氣體區(qū)別于固、液、氣三態(tài)，將之稱為“物質(zhì)第四態(tài)”。1928年,美國(guó)的Tonks和Langmuir采用等離子體(Plasma)來描述這種新的物質(zhì)形態(tài)。隨后,Vlasov和Landau等人建立了等離子體的動(dòng)力學(xué)描述，這也標(biāo)志了等離子體物理學(xué)的正式建立。到了二十世紀(jì)五十年代，在受控?zé)岷司圩兒涂臻g技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，等離子體物理逐漸發(fā)展成熟，成為一個(gè)新的、獨(dú)立的物理學(xué)分支。等離子體是一種由大量電子、離子等帶電粒子和中性粒子(原子，分子，微粒等)組成的，并具有一定集體行為的、準(zhǔn)中性的、非束縛態(tài)的宏觀體系。與通常的固、液、氣三態(tài)相比，等離子體的基本特征主要是“準(zhǔn)電中性”和“集體行為”。自1960年

3、Maiman研制成功第一臺(tái)紅寶石激光器以來，激光技術(shù)的每一次發(fā)展都極大的拓展了物理學(xué)的研究領(lǐng)域。圖1給出了激光強(qiáng)度隨年代的增長(zhǎng)及相關(guān)的物理學(xué)進(jìn)展。rwElectiEjzlm黒1Cim他D1驅(qū)EOKI2010圖1激光等離子體物理,是隨著超短超強(qiáng)激光脈沖技術(shù)發(fā)展而形成的一個(gè)新的分支學(xué)科。激光技術(shù)的每一次革命,都為激光與等離子體作用的研究開辟新的領(lǐng)域。隨著激光強(qiáng)度的不斷增強(qiáng),激光等離子體物理經(jīng)歷了從線性響應(yīng)到非線性光學(xué),再到相對(duì)論的非線性作用的研究歷程。在現(xiàn)有激光技術(shù)的推動(dòng)下（強(qiáng)度S1023VI/cm2，脈寬/S量級(jí)），超短超強(qiáng)激光脈沖同等離子體的作用更是成為了當(dāng)今物理學(xué)研究前沿的一個(gè)重要分支?，F(xiàn)代

4、激光技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了人們研究超短超強(qiáng)激光脈沖同等離子體作用的濃厚興趣。這一方面是出于探索自然物理規(guī)律特別是非線性問題的需要，另一方面則是源于激光等離子體作用可以用來充當(dāng)各種光子、電子和離子源氣由于激光的高能量密度，這些產(chǎn)生的粒子源具有更好的緊湊性和其它一些非常優(yōu)秀的束流性質(zhì)，如高亮度、低散射度、短脈沖等。而這樣的粒子源存在很多新穎的實(shí)際應(yīng)用，比如在離子束治療癌癥、生物照相、超快探測(cè)、快點(diǎn)火聚變等方面將會(huì)產(chǎn)生巨大的作用。目前，國(guó)際上激光等離子體物理的主要研究領(lǐng)域在如下幾個(gè)方面：激光驅(qū)動(dòng)的可控慣性約束核聚變，粒子桌面加速器，基于激光等離子體作用的電磁波輻射源研究，如X射線源P氣阿秒脈沖，高次諧波

5、和太赫茲輻射等。另外，利用超短脈沖激光在大氣中傳播形成的超長(zhǎng)等離子通道來實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)和激光引雷等研究也得到了人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。三、激光等離子體相互作用原理高功率激光束照射靶物質(zhì)時(shí)，部分激光能量被吸收，導(dǎo)致靶物質(zhì)被加熱、電離而產(chǎn)生熱等離子體，從而激光直接與等離子體相互作用。激光等離子體相互作用與激光參數(shù)、等離子體的材料特性和狀態(tài)參數(shù)等密切相關(guān)，其中最具決定性因素的是激光強(qiáng)度人和等離子體密度，。激光強(qiáng)度（激光的聚焦功率密度）為：1）I=ElLTS其中E是打到靶面的激光能量,S是激光束輻照在靶上的面積（焦斑），r是激光脈L沖的時(shí)間寬度。激光強(qiáng)度也可以用電場(chǎng)來表示:TOC o 1-5 h zI=-c

6、E2（2）L200其中是真空中的介電常數(shù),C為光速。另一個(gè)常用來表示激光強(qiáng)度的物理量是0激光場(chǎng)的無(wú)量綱化振幅a二竺，其中A為激光矢勢(shì)A的幅值，m為電子質(zhì)量,0mc20eee為電子電量,對(duì)于線極化激光有：3）4）=；21X2/nC00圓極化激光有：=.：IX2/nC00其中X為激光波長(zhǎng)。強(qiáng)度不同的激光發(fā)生相互作用的機(jī)理可能完全不同,強(qiáng)度超0過1016瓦特的激光稱為相對(duì)論激光,這是由于電子在激光電場(chǎng)中的高速振蕩速度。激光在等離子體中傳播時(shí)，等離子體吸收激光能量主要是通過兩種途徑：正常吸收和反常吸收來進(jìn)行的。正常吸收又稱為碰撞吸收、靜電吸收或者逆韌致吸收，這種吸收機(jī)制的吸收源于等離子體中粒子的個(gè)體吸

7、收效應(yīng)，其吸收機(jī)理是:等離子體中的電子在激光電場(chǎng)中振顫而獲得能量，振顫的高能電子通過與離子碰撞將激光能量轉(zhuǎn)換為離子無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)能量（熱能），光能變熱能使得等離子體的溫度升高。反常吸收又稱為非碰撞吸收,包括共振吸收、受激Ralnan散射、受激布里淵散射、雙等離子體衰變等相互作用過程，這種吸收機(jī)制的吸收源于等離子體中粒子的集體吸收效應(yīng)。這些吸收過程的共同特點(diǎn)是:激光與等離子體相互作用時(shí)，先通過波一波（光波一靜電波）相互作用，激光在等離子體中激發(fā)縱向靜電波如電子朗繆爾波、離子聲波等。等離子體中存在的這種波動(dòng)過程是等離子體中粒子共同參與的一種集體運(yùn)動(dòng)過程,波動(dòng)的載體就是等離子體，這種靜電波不能離開其載體

8、而存在。當(dāng)然，等離子體中可能存在的這種集體波動(dòng)需要合適的條件才能產(chǎn)生。等離子體縱向靜電波如電子朗繆爾波、離子聲波等在波動(dòng)過程中會(huì)與粒子相互作用（波一粒相互作用），無(wú)疑會(huì)遭遇到阻尼，主要有碰撞阻尼和無(wú)碰撞阻尼（朗道阻尼）。阻尼的存在最終會(huì)使得靜電波破裂解體，通過靜電波的解體而將集體有規(guī)則的能量變?yōu)殡x子無(wú)規(guī)則的能量（熱能），從而使得等離子體的溫度升高。四、超短超強(qiáng)激光等離子體相互作用近年來，隨著超短超強(qiáng)激光脈沖的迅猛發(fā)展和人們對(duì)“快點(diǎn)火”研究的深入,超短超強(qiáng)激光脈沖與高密度等離子體相互作用成為當(dāng)前激光等離子體領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。人們進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，主要研究?jī)?nèi)容為：超短超強(qiáng)激光脈沖在大

9、尺度等離子體中的傳播特性；超短超強(qiáng)激光脈沖與等離子體相互作用產(chǎn)生的各種不穩(wěn)定性；相對(duì)論和有質(zhì)動(dòng)力引起的激光自聚焦；咼能電子的產(chǎn)生機(jī)制及輸運(yùn)特性；慢變自生磁場(chǎng)的產(chǎn)生機(jī)制和對(duì)激光傳播、高能電子輸運(yùn)的影響。這些極端物態(tài)條件為許多領(lǐng)域的研究提供了非常理想的條件，如力口尸快點(diǎn)火、高能量密度物理、高強(qiáng)度X射線輻射源、粒子加速、天體物理、物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。特別是在激光聚變研究中，超短超強(qiáng)激光脈沖的發(fā)展為實(shí)現(xiàn)激光聚變提供了全新的思路。從表1中的典型參數(shù)可以看出超短超強(qiáng)激光等離子相互作用所具有的一些新的特點(diǎn)：（1）以往常用的微擾理論不適用于研究超強(qiáng)激光等離子體相互作用，需要發(fā)展新的非微擾理論；（2）由于速度很高，電子速度可接近光速，相對(duì)論效應(yīng)尤為重要；（3）由于超強(qiáng)的光壓，必然會(huì)產(chǎn)生許多新的物理現(xiàn)象如穿孔效應(yīng)；（4）由于激光脈沖足夠短，靶物質(zhì)在超強(qiáng)激光作用下的高電離率和慣性。裁敵I礦光斷沖電場(chǎng)強(qiáng)戰(zhàn)丘碗越邂復(fù)B溫應(yīng)T夫于1訊呼/uP*級(jí)f比廉子內(nèi)電場(chǎng)囪出L1.基態(tài)細(xì)，原于aID*ACC太PH中心溫滋1.5x1O77p?4HK輻射場(chǎng)&連度V加速度席粒子耦合量級(jí)2.75x10/cm2電子速度討以接近光速町以做引力波的研究電子和離子之間的超強(qiáng)橇合在我們下面的工作中經(jīng)常用到相對(duì)論激光或者弱相對(duì)論激光。強(qiáng)度過高的激光和等離子體相互作