超强激光等离子体相互作用中准静态磁场和电场及相对论电子的加速研究

【摘要】：超强激光，这里及以下指超短脉冲(皮秒～飞秒量级，10~(-12)s～10~(-15)s)超强(10~(18)～10~(21)W／cm~2)激光，它与相对论等离子体的相互作用是惯性约束聚变(ICF)“快点火”方案的中心问题。其中关键物理问题之一是超强激光等离子体相互作用中准静态自生磁场和电场的产生以及相对论电子束在准静态自生磁场和电场中的加速和准直。关于这个问题的研究还对新型激光粒子加速器以及天体物理中粒子加速机制和γ射线爆发等方面的探索具有非常重要的意义。目前，无论动力学理论还是流体力学理论都不存在一个自洽的模型能够统一地给出完整的准静态自生磁场(包括轴向和环向两个分量)和自生电场的解析表达式。目前，关于电子加速的研究也主要集中在非常短的飞秒超强激光脉冲过后的尾流场加速研究，这里的脉冲周期T_1与等离子体电子特征响应时间ω_(pe)~(-1)(ω_(pe)是等离子体电子Langmuir频率)是可比的。但是快点火方案中激光脉冲周期是皮秒量级的，通常满足T_1(?)ω_(pe)~(-1)电子主要是在激光脉冲内由激光场和准静态场联合作用加速的，此时激光尾流场效应是可以忽略的。关于这个方面的研究现在还非常不充分，还没有一个自洽的工作将完整的准静态自生场都统一地考虑进去，并分析它们在电子加速中的作用。 本论文从相对论动力学理论(相对论的Vlasov-Maxwell方程组)和相对论流体力学理论(十矩Grad近似流体方程组和Maxwell方程组联立)两种不同的理论框架出发，分别建立了一个自洽的关于超强激光等离子体相互作用中准静态自生磁场和电场的微观动力学模型及流体力学模型。两个模型都从各自的理论体系上统一地给出了完整的准静态自生磁场和电场的产生机制和解析表达式，且二者的结果基本一致。完整的准静态自生磁场包括沿激光传播方向的轴向分量和垂直于激光传播方向沿着方位角方向的环向分量。结果表明，圆极化(CP)激光可以同时产生轴向磁场B_z和环向磁场B_θ。轴向磁场是由CP激光作圆运动电场作用下电子非线性运动形成的低频有旋电流产生，它来自两方面，一是高频电磁场(激光场)的非线性拍频(beat)导致电子低频运动驱动的有旋电流，二是电子高频的密度扰动和它在激光场中的高频振荡圆运动非线性耦合驱动的低频有旋电流。环向磁场是由激光的有质动力驱动的沿着激光传播方向的无旋电流产生的。对于线极化(LP)激光，由于无有旋电流，轴向磁场不存在。准静态自生电场E_s主要是由有质