激光等离子体中等离激元坍塌及湍动谱的研究

【摘要】： 随着激光核聚变研究的需要和等离子体物理学的发展,激光和等离子体相互作用问题的研究得到了很大的推动,成为等离子体学科中活跃且富有成果的研究领域之一。它也是激光核聚变物理的基础和重要的组成部分。 激光在等离子体中传播可以驱动多种等离子体不稳定性,产生电子等离子体波(Langmuir波)、离声波等。一方面,波和粒子之间进行着频繁的相互作用;另一方面,波和波之间又存在广泛的能量交换,构成一幅非常复杂的相互作用图像。这些相互作用的结果表现为激光的散射、高能电子和高能离子的产生,而等离子体也会趋向湍动状态。研究湍动现象,也就是研究众多的不同尺度运动之间的随机相互作用,是许多物理分支的重要问题。 本文基于描述强湍动的非线性控制方程——完全的Zakharov方程,分析了激光等离子体临界面附近电磁波、朗缪尔波与离声波的三波相互作用,研究了有限振幅的调制不稳定;采用二维三分量通过快速傅立叶变换(FFT)方法数值求解Zakharov方程,获得了坍塌过程中三波场的演化;利用数值模拟结果解释了激光等离子体中的成丝效应、朗缪尔波的激发及坍塌过程、朗缪尔等离激元与横等离激元相互作用过程中产生的能量均分等现象;数值计算了非静态极限下朗缪尔波的最大强度、密度空穴排空率等,数值计算结果与激光等离子体相关实验现象(如成丝效应、密度空穴的形成等)相一致;研究了电磁波、朗缪尔波与离声波在相互作用中的能量密度谱随时间的演化;利用湍动谱解释了激光等离子体中湍动加速与反常碰撞等现象。这些研究为激光等离子体中强湍动提供了更为清晰的物理图象,以便更加深刻地理解等离激元坍塌过程。