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飞秒强激光诱导等离子体通道产生及其电子动能结构的理论研究

舒小芳  
【摘要】:当飞秒强激光脉冲和原子分子相互作用时,会产生一系列非线性现象,包括场致电离,激光大气中传输成丝,以及激光诱导等离子体通道产生等。本论文主要研究飞秒强激光脉冲与原子相互作用、强激光诱导等离子体的瞬时速度分布,以及飞秒强激光在大气中形成的等离子体通道的电子动能结构等。研究结果对于深入理解超快强激光在大气中的传播以及等离子体通道形成的机制具有较重要的理论意义,对于超快强激光的实际应用,如激光导电、测距、以及延长等离子体通道寿命等,可提供有价值的参考。本文取得的主要进展如下:1.激光原子电离过程的相空间分析基于含时薛定谔方程,本文采用Gabor变换技术,从相空间角度研究了激光-原子相互作用的电离过程,其中面具函数的引入导致了系统的衰减或者耗散。在本论文的模拟中,系统的衰减被用于解释激光诱导等离子体的产生。通过在计算区域的内边界处分别设置两个类探测器的坐标点,然后对以这两点为中心的电子波包的逃逸成分做Gabor变换,得出了其动量分布,进而得到了激光诱导等离子体的动能分布。2.激光诱导等离子体的瞬时速度分布本论文采用单电子追踪的方法,将电子含时运动速度向速度空间投影,给出了场致电离诱导等离子体的瞬时速度分布形式。基于准静电场近似,通过求解电离速率方程得到脉冲包络内自由电子的密度。在激光场作用下,电子的速度分布反映了激光脉冲能量转换情况。等离子体的存在使得激光脉冲后沿在传播过程中能量被大量损耗,同时也导致激光脉冲形状发生变化。为了使得分布函数更加平滑,本论文提出了一种分配方案,即同时考虑电子的含时速度对两个相邻格点的贡献(具有不同的权重因子)。基于此速度分布,计算了激光诱导等离子体的平均动能。3.激光大气传输过程中的等离子体通道的动能结构本论文提出了一种计算激光诱导等离子体动能结构的方法,从而将两个独立的关于等离子体通道的研究领域联系起来,即强激光在大气中传输时形成的等离子体丝的扩展及等离子体通道寿命的延长。在解一般非线性薛定谔方程的时候,重新引进了激光电场的快速振荡成分,并通过求解电子的运动方程,计算了依赖于电离时刻的电子动能。然后,以电离率作为权重因子进行加权,得到了等离子体通道的平均动能分布,即动能结构。最后,讨论了不同透镜参数下等离子体的动能结构,分析了其形成机制。本论文作者对每个问题分别编制了相应的计算程序。程序语言为FORTRAN,数据的处理由MATLAB完成。


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