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超强激光与固体靶相互作用中的能量吸收机制以及10~9高斯准静态磁场的研究

蔡洪波  
【摘要】: 随着超强激光技术的飞跃发展,激光和物质相互作用掀开了崭新的篇章。在超强超短激光脉冲的作用下,靶表面迅速离化,由于激光脉冲非常短,所产生的等离子体来不及剥离,在这种情况下,等离子体的密度接近固体密度,其密度梯度非常陡.这种等离子体的电离,吸收,以及等离子体不稳定性都与晕区等离子体有显著差别,给理论和实验诊断提出了新的要求. 另一方面,“快点火”方案目前主要采用的方法有相对论性电子束点火,重离子束和质子束点火.“快点火”中相对论性电子束点火实际上分为两个阶段,第一阶段有超强激光存在,即超强激光与等离子体相互作用阶段,这个阶段主要是电子在超强激光等离子体相互作用过程中被加速形成相对论性电子束的阶段,这一阶段为第二阶段提供相对论性电子束源.第二阶段是相对论性电子束脱离激光后在高密度等离子体中输运,并在芯区边缘沉积能量形成点火热斑的阶段.因为点火热斑的尺寸很小,大约只有十个微米左右,这就要求第一阶段必须形成准直的具有很小发散角的相对论性电子束源.在超强激光等离子体相互作用的实验和数值模拟中,均发现了非常强的准静态自生磁场的产生.除环向磁场外,还存在轴向磁场.这些准静态自生磁场可以起到准直和箍缩相对论性电子束的作用,从而形成我们所期待的小发射角和散射角的相对论性电子束.因此,对超强激光等离子体相互作用中超热电子的产生机制以及准静态自生磁场的研究是“快点火”研究中非常重要的课题.除此之外,它还对激光粒子加速器的研究以及天体物理中粒子加速机制和γ射线爆等的探索提供重要的基础.因此,本论文将围绕超强激光等离子体相互作用中的能量吸收机制,以及准静态自生磁场的产生机制,进行了理论和数值研究.具体如下: 1:研究了短脉冲激光辐照下的逆韧致吸收和共振吸收机制.当入射激光脉冲在亚皮秒量级时,所产生的等离子体密度标长小于1个激光波长,因此经典的共振吸收理论已不再成立,其最佳入射角,能量吸收份额等均低于经典理论下的估计值. 2:研究了飞秒激光辐照下的真空加热机制.前人的工作采用电容器模型,而本文第一次研究了斜入射p极化激光作用下的真空加热机制.此外,在我们的理论中,我们将激光光压所造成的电子密度轮廓的陡化过程自恰地考虑在内。研究发现真空加热的最佳入射角为45度,能量吸收系数正比于入射激光强度;但是,在相对论性强度下,最佳入射角随入射激光强度增大而缓慢增大到52度,吸收系数在入射激光强度为a_L=2时达到最大,随后随入射激光强度增大而下降。 3:研究了超强短脉冲激光辐照下的J×B加热。研究发现,根据入射激光参数以及等离子体初始条件的不同,J×B加热可以分为两个不同的加热过程.当线偏振激光入射到等离子体时,等离子体出现频率为2ω的纵向电子等离子体振荡.它是由频率为2ω的激光磁场力分量驱动的,纵向电子振荡的出现及其能量耗散被认为是导致激光能量吸收的机制之一;而当入射激光强度变得很大时,加热过程类似“真空加热”. 4:研究了有限脉宽的超强高斯脉冲与固体靶相互作用中的准静态磁场的产生机制.超强短脉冲激光辐照在高密度等离子体上时,电子在强激光有质动力的作用下,被推向高密度等离子体内部,形成一个电子密度坑.由于电子密度及相对论因子在密度坑附近的趋肤层内具有很大的空间不均匀性,将导致环向电流的形成,从而产生很大的轴向准静态磁场(最大可达10~9高斯);另外,有质动力的空间不均匀性和时间变化率将导致位移电流的形成,这将产生一个很大的环向磁场.


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