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。通過建立簡化的物理模型,即將部分電離的等離子體簡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、介紹人類對等離子體的研究從氣體放電開始。1879年,英國的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)展的推動下，等離子體物理逐漸發(fā)展成熟，成為一個新的、獨立的物理學(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給出了激光強度隨年代的增長及相關(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,是隨著超短超強激光脈沖技術(shù)發(fā)展而形成的一個新的分支學(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。隨著激光強度的不斷增強,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),再到相對論的非線性作用的研究歷程。在現(xiàn)有激光技術(shù)的推動下（強度S1023VI/cm2，脈寬/S量級），超短超強激光脈沖同等離子體的作用更是成為了當(dāng)今物理學(xué)研究前沿的一個重要分支。現(xiàn)代

4、激光技術(shù)的發(fā)展，引發(fā)了人們研究超短超強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際應(yīng)用，比如在離子束治療癌癥、生物照相、超快探測、快點火聚變等方面將會產(chǎn)生巨大的作用。目前，國際上激光等離子體物理的主要研究領(lǐng)域在如下幾個方面：激光驅(qū)動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等離子通道來實現(xiàn)激光雷達(dá)和激光引雷等研究也得到了人們越來越多的關(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，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度人和等離子體密度，。激光強度（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沖的時間寬度。激光強度也可以用電場來表示: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。另一個常用來表示激光強度的物理量是0激光場的無量綱化振幅a二竺，其中A為激光矢勢A的幅值，m為電子質(zhì)量,0mc20eee為電子電量,對于線極化激光有：3）4）=；21X2/nC00圓極化激光有：=.：IX2/nC00其中X為激光波長。強度不同的激光發(fā)生相互作用的機理可能完全不同,強度超0過1016瓦特的激光稱為相對論激光,這是由于電子在激光電場中的高速振蕩速度。激光在等離子體中傳播時，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，這種吸收機制的吸收源于等離子體中粒子的個體吸

7、收效應(yīng)，其吸收機理是:等離子體中的電子在激光電場中振顫而獲得能量，振顫的高能電子通過與離子碰撞將激光能量轉(zhuǎn)換為離子無規(guī)則運動能量（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是:激光與等離子體相互作用時，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過程是等離子體中粒子共同參與的一種集體運動過程,波動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、離子聲波等在波動過程中會與粒子相互作用（波一粒相互作用），無疑會遭遇到阻尼，主要有碰撞阻尼和無碰撞阻尼（朗道阻尼）。阻尼的存在最終會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、超短超強激光等離子體相互作用近年來，隨著超短超強激光脈沖的迅猛發(fā)展和人們對“快點火”研究的深入,超短超強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)域的一個研究熱點。人們進(jìn)行了大量實驗和數(shù)值模擬研究，主要研究內(nèi)容為：超短超強激光脈沖在大

9、尺度等離子體中的傳播特性；超短超強激光脈沖與等離子體相互作用產(chǎn)生的各種不穩(wěn)定性；相對論和有質(zhì)動力引起的激光自聚焦；咼能電子的產(chǎn)生機制及輸運特性；慢變自生磁場的產(chǎn)生機制和對激光傳播、高能電子輸運的影響。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，如力口尸快點火、高能量密度物理、高強度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，超短超強激光脈沖的發(fā)展為實現(xiàn)激光聚變提供了全新的思路。從表1中的典型參數(shù)可以看出超短超強激光等離子相互作用所具有的一些新的特點：（1）以往常用的微擾理論不適用于研究超強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，相對論效應(yīng)尤為重要；（3）由于超強的光壓，必然會產(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)在超強激光作用下的高電離率和慣性。裁敵I礦光斷沖電場強戰(zhàn)丘碗越邂復(fù)B溫應(yīng)T夫于1訊呼/uP*級f比廉子內(nèi)電場囪出L1.基態(tài)細(xì)，原于aID*ACC太PH中心溫滋1.5x1O77p?4HK輻射場&連度V加速度席粒子耦合量級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橇合在我們下面的工作中經(jīng)常用到相對論激光或者弱相對論激光。強度過高的激光和等離子體相互作