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强激光与固体靶相互作用中的能量吸收及转化研究

葛哲屹  
【摘要】:随着激光技术的不断发展,强激光与固体靶相互作用呈现出越来越多的应用前景:如高次谐波发射、等离子体粒子加速、以及高能电子产生等。在这些应用中,一个首要的问题就是激光能量的吸收。此外,强激光与固体靶相互作用产生强X射线源近来也因其潜在的应用价值而受到广泛关注,如高级印刷术、X射线背光照相、高能量密度物理以及惯性约束聚变(ICF)等。在这些应用中,如何有效提高激光-X射线转化效率是人们关注的重点。本文以激光惯性约束聚变为主要背景,针对强激光与固体靶相互作用中的激光能量吸收及转化过程,结合理论分析和数值模拟方法,主要开展了以下工作:首先,研究了强激光与固体靶相互作用过程中激光共振吸收与真空加热的转化过渡机制。我们建立了一个自洽包含两种不同能量吸收机制的解析理论模型。研究表明,共振吸收即使在相对论强度的激光条件下也可出现,而真空加热则主要在小等离子体密度标长及强激光光强条件下起主导作用。模型阐明了两种机制间的转化过渡机理,并对比分析了两种吸收机制在最大吸收系数及吸收角分布方面的异同。其次,研究了电子密度陡化振荡效应对激光能量吸收的影响。主要考察强激光光压产生的电子密度压缩陡化效应与电子-等离子体交界面的振荡效应对现有激光吸收机制的影响,导出了电子密度陡化效应关于激光强度和初始等离子体密度的定标率,获得了激光能量吸收系数随时间振荡的演化图像。研究表明,电子密度压缩陡化效应将在一定程度上降低激光能量吸收。P极化激光的能量吸收系数将随时间作基频振荡,而S极化激光的能量吸收系数将随时间作二倍频振荡。理论结果与相关实验结果吻合较好,证明了我们所构建的模型的有效性。再次,完成了MULTI-2D程序全新激光折射、反射模块Ray_Tracing的开发。我们详细阐述了MULTI-2D程序的基本物理模型和数值算法,并重点介绍了新Ray_Tracing模块的物理建模、基本架构及典型验证算例。相比于原程序中较为粗糙的激光射线追踪近似方法,新的模块可以很好地处理激光射线的折射与反射过程,极大的增强了程序的模拟能力及适用范围。然后,基于辐射流体力学程序MULTI-2D,针对局部整体点火靶模型中的等离子体密度分布演化问题开展了理论和数值模拟研究。我们系统考察了锥靶几何构型参数和注入激光参数对产生等离子体密度分布的影响,并将新的MULTI-2D激光折射、反射模块应用于局部整体点火靶模型中,获得了激光与锥靶相互作用中的激光能量沉积及各能量项占比随时间演化规律,探索了有效抑制等离子体喷溅,延长黑腔堵口发生时间的方案。最后,提出了一个全新的双层金靶构型方案用于提升激光固体靶相互作用时的激光-X射线转化效率。研究发现,双层金靶构型方案确能有效提升激光-X射线转化效率,且转化提升主要在软X射线区域。我们考察了靶几何结构参数对X射线转化效率的影响,并给出了电子内能、离子动能及辐射能的细致能量分配占比随时间演化过程。最终发现,双层金靶构型方案对激光-X射线转化效率的有效提升主要得益于其对离子动能的有效抑制。


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