强激光与等离子体相互作用产生的微波辐射研究

【摘要】：随着激光技术的飞速发展和激光功率密度的不断提升,利用超强激光与等离子体相互作用,可以在单位时间、单位空间内实现极高的能量密度,从而在实验室中产生一系列原本只存在于核爆或者天体中的极端物理条件,这使得人们可以在实验室中进行激光核爆模拟和实验室天体物理等相关研究。在激光等离子体相互作用过程中,可以产生大量的高能粒子以及高亮的γ射线和X射线、超强的太赫兹辐射、微波辐射等。作为激光等离子体相互作用过程中最为常见的产物之一,微波辐射还需要更为深入和全面的研究。本论文利用不同的高功率激光装置与固体靶或气体靶相互作用,系统地研究了不同实验条件下微波辐射的产生机制和辐射特性。论文主要包括以下几个部分。第一部分为绪论,介绍了激光等离子体相互作用产生微波辐射的主要机制以及相关的研究进展。已有的研究表明,激光等离子体相互作用过程中,微波辐射可以通过:偶极辐射、靶杆上电流回流、X射线离化金属材料、气体通道中的电流振荡等过程产生。基于不同的辐射机制,我们分析了利用微波辐射的时域和频域特征辅助诊断电子温度、电子密度、逃逸电子行为等参量的办法。在许多大型激光装置的实验研究中,微波辐射强度可以高达MV/m,利用其强度优势,我们探讨了微波辐射在产生脉冲强磁场、以及作为高功率微波源等方向的意义。在激光等离子体实验中,有时需要最大程度地削弱微波辐射形成的电磁干扰,对于抑制电磁干扰的方法,我们也作了简要讨论。第二部分研究了飞秒激光与固体靶相互作用中通过电流振荡机制产生的微波辐射特性。激光与金属靶相互作用过程中,靶面电子逃逸会在靶上形成等效的正电势,引起靶结构上形成回流电流,最后产生微波辐射。基于这一原理,我们研究了不同靶尺寸上,靶上电流传播的特性,以及微波辐射的时域和频域特性。研究发现金属靶可作为辐射天线产生微波辐射,微波辐射频率可以利用金属靶的结构和尺寸准确的控制。通过研究激光脉宽和能量对微波辐射特征的影响,实验发现,通过天线结构产生的微波辐射,其强度与激光能量之间几乎呈线性相关的趋势,而与激光脉宽弱相关。这一工作表明,我们有望通过长脉冲大能量的激光与类天线结构的靶相互作用产生更强的频率可控的微波源。第三部分研究了超强皮秒激光与固体靶相互作用产生的皮秒尺度太赫兹脉冲对微波频段电磁干扰的激励作用。实验表征了峰值功率达GW量级、在空间中准各向同性分布的微波辐射。通过时域中的二维电磁模拟,论证了超短超强的皮秒激光与等离子体相互作用产生的皮秒尺度的太赫兹脉冲在封闭腔室内混响是引起这一强电磁干扰的来源。此外,我们通过实验发现,利用早于皮秒激光的纳秒激光和靶相互作用可以有效抑制腔室内由皮秒激光单独打靶产生的电磁干扰。第四部分研究了大能量纳秒激光与固体靶相互作用产生的微波辐射机制与特性。纳秒激光等离子体作用产生的电子逃逸和靶面鞘层场振荡等时间尺度一般在纳秒量级,意味着从等离子体区域可以直接产生百MHz到几个GHz的微波辐射。因此,对纳秒激光实验中产生的微波辐射特性的研究可以帮助诊断电子逃逸行为等过程。在神光II纳秒激光装置中,我们研究了大能量纳秒激光与大尺寸平面靶相互作用过程中,GHz频段内的微波辐射强度、波形、频谱随激光能量的变化规律。基于偶极辐射模型和电子逃逸产生微波辐射的模型,研究了不同激光能量下,微波辐射机制的转变过程。利用大能量纳秒激光与小尺寸平面靶相互作用,研究了靶厚度增加削弱靶背侧微波辐射的效应。此外,针对仅由电子逃逸产生微波辐射的过程,实验中在空间中多角度多距离处诊断了微波辐射的特性,并结合数值模拟,分析了由电子逃逸产生的微波辐射场在整个4π空间的分布特性,为实验中分析微波辐射场空间分布等特性提供参考。第五部分研究了飞秒激光与近临界密度气体靶相互作用中产生的强微波辐射。表征了微波辐射的时域和频域特征,微波辐射的空间角分布等特点。实验发现在激光与近临界密度气体靶相互作用过程中,产生的微波辐射强度可以与许多大型激光装置中的微波辐射强度相当。这一工作或许可以为未来利用强激光等离子体驱动高功率微波提供新的契机。