温密等离子体中非线性特性研究

【摘要】：随着强激光技术的不断发展,激光等离子体相互作用由于在惯性约束核聚变(ICF)和电子加速等方面的重要应用而成为当前研究的一个热点。本论文研究了激光等离子体相互作用中产生的温密等离子体中非线性特性,主要包括自聚焦、光束分裂和激光驱动电子加速等非线性特性问题。主要研究内容和取得的成果如下： 1.研究了激光和欠稠密碰撞性等离子体中电子温度对介电函数和激光传播的影响。得出了依赖于电子温度变化的介电函数和激光传播的波动方程。结果发现,当激光在欠稠密碰撞性等离子体中传播时,由于电子之间的碰撞非线性效应导致电子密度发生再分布,从而引起介电函数发生改变；电子温度的变化导致的电子之间的碰撞非线性效应呈现出一种弱—强—弱变化趋势,导致激光在传播过程产生三类不同的现象：稳定的分离,震荡的分离和稳定的自聚焦。 2.研究了稠密等离子体与强激光的相互作用过程中的光束分裂现象。基于在稠密等离子体中描绘激光传播的波动方程,利用非傍轴理论第一次预言了一种新的非线性参量不稳定性：三分裂的光强分布。同时分析了产生分裂光强分布的可能原因,并调查发现更高的四分裂和其它的分裂现象不能产生。这一发现丰富了激光等离子体作用中的非线性研究。 3.研究了单一型和混合型指数衰变非均匀性等离子体中的电磁波的相对论自聚焦。研究发现,由于明显的相对论影响和存在的等离子体的非均匀性,两者联合影响着非均匀等离子体中的介电函数和电磁波的传播。特别是,通过对比两种具有相反性质的指数衰变型非均匀等离子体与强电磁波的相互作用,发现非均匀性等离子体内在的数学性质(如单调性和极值等)对电磁波的传播性质存在直接的影响,这种发现对于在实验中发现新的类型的等离子体具有一定的指导意义。同时一个重要发现：尽管等离子体的非均匀性在ICF实验中会引入不稳定性,然而联合相对论效应和等离子体的非均匀性能产生超强的短脉冲电磁波,这种发现可用来设计产生强超短脉冲电磁波和新的粒子加速器。 4.研究了脉冲激光与碰撞性等离子体相互作用中的非线性碰撞热。通过使用麦克斯方程,流体方程和电子欧姆热的传输方程,在考虑有质驱动和非线性欧姆热的情况下,得到了等离子体中不同激光强度下的电磁场、电子密度和电子温度的分布情况。结果发现随着激光强度的增加,电磁场的震荡波长会减少,而其幅度会增加,同时发现随着激光强度的增加,电子密度、电子温度和有效介电函数的震荡峰值会变得非常的尖锐和震荡波长会逐渐降低。 5.研究了磁性等离子体中脉冲激光对电子的有质驱动加速问题。研究结果表面,在激光与等离子体相互作用过程中,等离子体的频率和电子的旋转频率对脉冲激光的群速度有明显的影响。在脉冲激光的传播过程中,产生的有质驱动力会驱动电子发生强烈的震荡,随着传播距离的增大,这种震荡会逐渐减弱,最终趋向稳定,使得电子获得高的能量增益。而在此过程中,由于脉冲激光电场的影响,会产生自生磁场,自生磁场会导致电子以一定的频率发生旋转,此时在脉冲激光频率和电子的旋转频率满足ω=ω。会产生共振,进一步增强有质驱动力,从而使电子的震荡得到共振增强,进一步提高电子能量的增益。