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超强超短脉冲激光与团簇相互作用实验研究

刘红杰  
【摘要】: 作为强场物理的一个重要分支,超强超短脉冲激光与团簇的相互作用是近年来一个十分活跃的研究领域。随着啁啾脉冲放大(CPA)技术的发展,飞秒级的超强激光已达到PW水平,功率密度达到10~(20)W/cm~2甚至更高,由此产生了超强电磁场、超高温、超高压力等极端条件。超强超短脉冲激光的实现为高能量密度物理研究提供了非常重要的实验平台,也为开展强激光与大团簇相互作用的实验研究提供了崭新的物理条件。 原子(分子)团簇是由两个以上,多则成千上万的原子(分子)通过物理或化学结合力组成相对稳定的微观或亚微观聚集体,其物理和化学性质随所含原子数目的变化而变化。团簇的空间尺度从几埃到几百埃不等,所表现出来的性质既不同于单原子分子,又不同于固体液体,通常把团簇视为介于原子、分子与宏观固体之间的物质结构层次,是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态。根据团簇内原子之间结合力的不同,团簇可分为金属团簇、共价团簇、离子团簇、氢键团簇和范德瓦尔斯团簇等。 高压气体的绝热膨胀是产生范德瓦耳斯团簇的有效途径,高压稠密气体经喷嘴向真空高速喷射过程中,其内能转化为定向动能,温度急剧下降,从而使气体处于过饱和状态而凝结形成团簇,如果气体密度满足一定条件,形成的团簇还会通过三体碰撞继续生长,这是一种典型的非平衡过程。团簇的束流密度和平均尺度是团簇靶的两个基本参数,密度分布以及随背压和时间的变化关系等参数诊断对于实验方案的设计和实验结果的分析至关重要。我们通过瑞利散射实验测量得到了团簇大小与背压的关系以及团簇尺度随时间变化的特性曲线,讨论了影响团簇尺度的相关因素。 激光干涉技术是一种能精确到波长量级的精密测量技术,我们采用的分振幅法,设计并搭建了Mach-Zehnder干涉仪,形成了一套干涉法密度诊断技术,这种技术适用于气体密度迅速变化的过程诊断。实验中我们获得了清晰的干涉图样,由干涉图样与参考图样可以得到探针光的位相飘移,位相飘移通常是气体折射率和传输距离的乘积。由于气体靶密度呈轴对称分布,进而通过阿贝尔反演计算出气体靶的密度分布。改变背压和延时,我们还研究了气体密度随压强与时间的变化关系。这些结果对分析激光与团簇相互作用过程,优化激光打团簇靶参数具有重要意义,同时也加深了对团簇形成过程的认识。 与固体靶和气体靶不同,团簇在与超强超短脉冲的相互作用过程中表现出来一些鲜明的特征。团簇最初通过阈上限电离被离化,只要激光功率密度达到一定值,这种电离激光脉冲的前沿到来就已经开始,使得团簇内的自由电子密度迅速增加,形成纳米尺度的高密度等离子体。等离子体对入射激光场的屏蔽作用使团簇的光电离速率下降,并使得等离子体加热及膨胀速度变慢,这种屏蔽作用加强之后,碰撞电离变成了团簇的主要电离机制。在激光脉冲存续期间,团簇等离子体中的电子通过逆轫致吸收、碰撞吸收等进一步沉积激光能量并获得加热。 电子被剥离后,离化的团簇球在电子压力和库仑斥力的作用下迅速膨胀,团簇的种类和尺度对团簇的膨胀行为影响很大,对于氘团簇,其电子比较容易被激光电场完全剥离。我们在20TW的激光装置上开展相互作用实验,探索了氘团簇在激光场中的演化过程,获得了高能氘离子能谱。采用库仑爆炸模型并考虑不同尺度的分布的情况,我们对氘离子能谱进行了模拟计算,结合理论计算结果,发现库仑爆炸模型比较好的描述了氘团簇在超强超短脉冲激光场的演变行为。 超强超短脉冲激光场中氘团簇库仑爆炸释放出来的高能氘离子为实现聚变反应提供了又一途径。激光电场将团簇内部的电子剥离后,离化团簇内沉积大量的库仑能,伴随着激光能量的沉积团簇发生库仑爆炸并释放高能离子,如果氘离子的能量和数密度达到一定的值,就可以实现DD聚变反应。我们发展了飞秒激光诱发氘团簇聚变的解析模型,计算结果表明团簇半径小于5nm时,聚变中子主要产生于热等离子体区域,随着团簇尺度的增大,来自于周围相对较冷团簇区域的中子所占的份额越来越大,对于平均尺度一定的团簇,其尺度分布单一将有利于聚变中子产额的提高。 利用KAERI的10TW超短脉冲激光装置我们实现了团簇聚变,激光脉冲宽度30飞秒,能量300毫焦,气体背压在50atm时平均每发中子产额10~3,由于实验中团簇的平均尺寸远小于5 nm,激光氘团簇聚变发生的区域主要是激光辐照的等离子体热区。通过不同离焦条件下的实验,观察到中子产额随激光焦斑的增大而逐渐增大,还初步获得了诱发氘团簇聚变的临界激光功率密度条件4.3×10~(15)W/cm~2,这对于研究提高中子产额乃至相应的应用研究至关重要。 加速器是获得高能粒子的有效手段,激光尾场加速高能电子突破了传统的加速理念,利用等离子体中激发的等离子体波获得高得多的加速梯度,因为等离子体作为加速介质可以承受非常高的加速电场。沿着等离子体波传播方向注入的速度与波速相近的电子将会被捕获并等离子体波纵向电场方向得到剧烈的加速。我们采用团簇和气体分子这种混合喷流靶研究了激光尾场对高能电子的加速过程,获得了60MeV高能电子,并发现在36.2 MeV和16.7 MeV出现了准单能电子分布,有趣的是,我们首次观察到高能电子束的劈裂现象。 实验中激光功率密度已经达到相对论强度,等离子体中电子振荡速度接近光速,此时相对论效应显著,此时电子质量将大大超过其静止质量。对于激光脉冲在靶介质中的传输团簇等离子体起到了类似透镜的作用,即极大促进了自聚焦效应。自聚焦在激光焦斑中心产生后将向边缘部分横向扩散,密度越低横向扩散越厉害,激光强度的不均匀造成等离子体密度复杂的空间调制,反过来,等离子体密度又调制了激光强度,进一步演化为等离子体通道分裂,因而高能电子在被加速过程中产生了分束。 除了激光尾场能够有效地加速电子以外,激光与团簇等离子体相互作用过程中还有很多相互作用机制可以产生超热电子。根据等离子体密度标长的不同产生超热电子的机制主要有真空加热或共振吸收,我们分别研究了超热电子沿激光后向和侧向的发射,实验中用铝箔挡掉了能量较低各向同性发射的超热电子。沿激光侧向的超热电子能量高于80keV,是由于共振吸收在临界密度处产生;沿激光后向的超热电子发射是由后向反射激光加速电子产生的。


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