激光-等離子體相互作用

1、中國(guó)科學(xué)院物理研究所光物理實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)激光高能量密度物理研究組Group for Intense-Laser-Driven High Energy Density Physics粒子模擬（PIC）程序KLAP勺發(fā)展和應(yīng)用在過去10年，我們?cè)谥锌圃何锢硭?dú)立發(fā)展了相對(duì)論多維粒子模 擬程序KLAR在一維和二維粒子模擬程序中，我們還加入了考慮 光離化，碰撞離化及兩體碰撞效應(yīng)的子程序，并將其應(yīng)用于短脈 沖激光與中性物質(zhì)相互作用的研究中。在三維程序中，為了研究 加速能量達(dá)Ge勺勺長(zhǎng)距離激光尾波場(chǎng)加速問題，我們發(fā)展了具有 移動(dòng)窗口特性的程序，使得模擬尺度可以達(dá)到厘米量級(jí)。這些模 擬程序?qū)Πl(fā)展激光等離子體相互作

2、用理論、揭示新物理現(xiàn)象、解 釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象起了關(guān)鍵作用60Fokker-Planek模擬程序的發(fā)展及其應(yīng)用Fokker-Pla nek （ FP）模擬作為一種動(dòng)理學(xué)模擬方法，與PIC模擬一樣得到廣泛應(yīng)用，特別是用于慣性約束聚變中的熱流輸運(yùn)、快點(diǎn)火聚變中的 高能粒子輸運(yùn)、等離子體中波加熱等。我們發(fā)展了一維坐標(biāo)二維速度空 間的FP模擬程序，它考慮完整的電子一電子碰撞和電子一離子碰撞，可 以用于分布函數(shù)高度偏離平衡態(tài)的情況。下面是兩個(gè)采用該程序得到的 典型結(jié)果O1208040004080120二維粒子模擬揭示激光與固體靶作用表面電 子發(fā)射的機(jī)制逆自由電子激光加速機(jī)制。上圖為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，右圖為數(shù)值模擬結(jié)果。

3、100504030201020 30 c)405060(b303540I 亠45 2530 3S40450.51.0 0.GCL2碰撞效應(yīng)對(duì)相對(duì)論性成絲和雙流不穩(wěn)定性的影響在快點(diǎn)火中，當(dāng)高能電子向靶丸中心傳輸時(shí)，會(huì)導(dǎo)致成絲、雙流 和斜向不穩(wěn)定性，這三種不穩(wěn)定性對(duì)電子輸運(yùn)的影響是快點(diǎn)火中 最關(guān)鍵的問題之一。在靶心區(qū)域，背景粒子之間的碰撞頻率可以 遠(yuǎn)大于不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)率，因此必須考慮碰撞效應(yīng)對(duì)這些不穩(wěn)定 性的影響。我們?cè)谌珓?dòng)理學(xué)框架下研究了碰撞效應(yīng)對(duì)成絲不穩(wěn)定 性、雙流不穩(wěn)定性、斜向模式不穩(wěn)定的影響。研究發(fā)現(xiàn)，碰撞效 應(yīng)對(duì)斜向不穩(wěn)定性的靜電部分起抑制作用，而對(duì)其電磁部分起著 促進(jìn)作用。在快點(diǎn)火中的

4、參數(shù)下，當(dāng)背景等離子體達(dá)到固體密度 附近，靜電性的斜向不穩(wěn)定性將被完全抑制。在致密靶心區(qū)，成 絲不穩(wěn)定性將成為最不穩(wěn)定的模，其產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)對(duì)電子的 輸運(yùn)起著重要的導(dǎo)引作用。10050 . _1000J50010100200300400I 誨0.0500 x/ 入電子束在高密度等離子體中傳輸模擬。上圖是不考慮無碰撞效應(yīng)，下圖是考慮碰撞效應(yīng)。?部分相關(guān)論文：? B. Hao et al., Phys. Rev. E 79, 046409 (2009).? B. Hao et al., Phys. Rev. E 80, 066402 (2009).? W. J. Ding et al., Phy

5、s. Plasmas 16, 042315(2009).? S.M. Weng et al., Phys. Rev. E 80,056406 (2009).? S.M. Weng et al., Phys. Rev. Lett. 100, 185001 (2008).? S. Kahaly et al., Phys. Rev. Lett. 101, 145001(2008).? W.M. Wang et al., Phys. Plasmas 15, 030702 (2008).? S. M. Weng et al., Phys. Plasmas 13, 113302 (2006).?陳民等，計(jì)

6、算物理25, 43 (2008).?翁蘇明等，計(jì)算物理24, 134 (2007).強(qiáng)直流電場(chǎng)下的等離子體電導(dǎo)率：當(dāng)外加直流電場(chǎng)強(qiáng)度足夠小時(shí)，等離子體中的電子分布函數(shù)接近于平衡態(tài)下的麥克斯韋分布，此時(shí)產(chǎn)生的電 流與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比，由Spitzer理論來描述。在慣性約束核聚變的快點(diǎn) 火方案中在高能電子輸運(yùn)過程中就會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的直流電場(chǎng)，此時(shí)傳統(tǒng)的 Spitzer理論不再適用。我們利用自行開發(fā)的 FP模擬程序?qū)Φ入x子體在各 種強(qiáng)度的直流電場(chǎng)下的電子分布函數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并推導(dǎo)出了一 組類似于流體力學(xué)方程的公式。它可以正確地描述在強(qiáng)直流電場(chǎng)下的等 離子體電流和電場(chǎng)之間的關(guān)系，并且像 Spitzer

7、的計(jì)算公式一樣簡(jiǎn)單易用強(qiáng)激光場(chǎng)下的逆韌致吸收率：利用速度空間二維的FP模擬程序?qū)す鈭?chǎng)中的逆軔致吸收過程，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了新的逆軔致吸收算子。它適用于任意強(qiáng)度的激光場(chǎng)中的逆軔致吸收并且與Langdor形式的吸收算子一樣可方便地集成到各種大型的等離子體模擬程序中，從而具有很高的實(shí)用 價(jià)值630? 6O(I)0*036(b)60(II)0.0360.000IO.0080.0000.02200000.0570.0000.022LUJ 0 一630 0.000 0.000-6 -3 036-6 -3 036V|/ve0Vll/Ve04020I0.0110.1EHydroSpitzer VFP1E-31

8、0亞波長(zhǎng)光柵靶對(duì)超短強(qiáng)激光脈沖的近全吸收現(xiàn)象提高強(qiáng)激光和等離子體相互作用的能量耦合效率對(duì)高能量密度物 理研究是個(gè)核心問題，對(duì)高能粒子產(chǎn)生、新型輻射產(chǎn)生都具有重 要意義。近年來，人們發(fā)現(xiàn)在固體靶表面刻劃或添加亞波長(zhǎng)的微 結(jié)構(gòu)（如光柵、團(tuán)簇等）是一條提高耦合效率的有效途徑。我們與國(guó)外合作者系統(tǒng)研究了的光強(qiáng)、度入射角、p或s線偏振入射的飛秒激光脈沖與亞波長(zhǎng)光柵靶相互作用時(shí)的吸收和超熱電子 產(chǎn)生過程。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬都表明：p偏振激光以一定角度入射到亞波長(zhǎng)光柵靶時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)接近 100%的吸收率；二維粒子模擬 發(fā)現(xiàn)激光場(chǎng)能在亞波長(zhǎng)表面結(jié)構(gòu)上誘導(dǎo)出很強(qiáng)的靜電場(chǎng)，該電場(chǎng) 與入射激光耦合可以導(dǎo)致強(qiáng)烈的吸收AFM(a)100.4100.2100(b)1002oW 100O0,60.8 10,20.41.21.4|105Ltc1