强激光在磁化等离子体中调制不稳定性及坍塌研究

【摘要】：当激光在等离子体中传播时,将引起横等离子体波与驱动的离子声波之间的调制相互作用,出现一种长波不稳定性,即调制不稳定性,并且调制不稳定的增长率是正比于入射泵波的有限振幅。调制不稳定性是非线性效应和色散效应共同作用的结果,将导致激光波包在时间或空间上发生破裂,最终引起自聚焦。研究调制不稳定性及其非线性发展对于惯性约束聚变中激光的快点火过程具有重要的意义。 本论文采用一种新的方法研究强激光在磁化等离子体中的调制不稳定性。首先采用洛伦兹变换分别推导出左(右)旋椭圆偏振强激光在磁化电子-离子等离子体、磁化正负电子等离子体中的非线性色散关系,其中考虑了相对论和有质动力引起的非线性效应。利用推广的Karpman方法,考虑了电磁波在等离子体中的非线性频率的平移,获得了三维三分量情况下磁化等离子体中激光场的波包所满足的非线性演化方程。于是分别研究了左(右)旋椭圆偏振强激光在磁化电子-离子等离子体、磁化正负电子等离子体中产生的调制不稳定性,得到了调制不稳定的时间增长率与扰动态波数之间的函数关系,分析了不同偏振状态的激光在磁化等离子体中产生的自调制不稳定性的时间增长率,并与非磁化情况进行了比较,分析了不同区域的时间增长率。最后从左(右)旋椭圆偏振强激光场的波包所满足的非线性控制方程出发,利用场论方法,构造了拉格朗日密度函数,得到激光场波包的能量集中具有准粒子特性,讨论调制不稳定发展后期的波包坍塌动力学问题,分别证明在磁化电子-离子等离子体、磁化正负电子等离子体中左(右)旋椭圆偏振强激光场均具有坍塌行为。激光场将形成高强度的局域化结构,获得了局域结构的特征尺度,这与局域结构数值模拟的相关结果是一致的。另一方面,本文还利用了流体模自引力系统的结构方程,分析了流体模自引力系统的有限振幅的调制不稳定性。 分析结果表明,在磁化等离子体中,左旋椭圆偏振强激光的自调制不稳定的极大增长率较非磁化情况明显减小,而右旋椭圆偏振强激光的极大增长率较非磁化情况明显增大。因此,轴向均匀磁场将增强右旋椭圆偏振强激光在等离子体中的自聚焦性质,而将减弱左旋椭圆偏振强激光在等离子体中的自聚焦性质,这与相关文献的分析结果相吻合。结果还表明,在激光等离子体的临界面附近处,调制不稳定性的时间增长率显著增大。