（光学专业论文）超短脉冲强激光等离子体中的参量调制与电磁辐射.pdf

摘要 摘要 高能量超强超短脉冲激光的出现，迅速地推动了惯性约束核聚变( i c f ) 研究的发展。i c f “快点火”概念的提出，使超强超短脉冲激光与等离子体的 相互作用研究成为世界各强国极度关注的焦点。在以军事武器装备、国防安全 为目的的巨资投入、探索创新研究的带动下，形成了学术界强场物理、强场化 学、极端条件产生等当今国际上相对独立的三个重大研究前沿。近二十年的研 究进展速度惊人，并开始步入应用。物质在强激光场作用下发生电离是上述三 大前沿领域在研究中必遇的共性现象，通常将激光电离产生的等离子体视为完 全离化的带电粒子，相互作用体系所有的线性与非线性物理过程本质上是由激 光电磁场和等离子体静电场支配。但在实际的相互作用中，尤其是在高z 物质 靶产生的等离子体中，靶原子却难以完全电离。部分离化的原子( 离子) 在激 光场作用下必然发生极化，从而产生极化场。原子极化场( 束缚电子相关) 及 其与激光电磁场、等离子体静电场( 自由电子相关) 在相互耦合中的竞争如何 修改相互作用研究的已有结果以及将导致什么新的物理现象，是人们关注的热 点。另外，等离子体是一种无损伤阈值的特殊物质形态，带电粒子复杂的运动 会导致各种形式的电磁辐射，通过超短强激光脉冲对等离子体的激励作用来产 生人们极力寻找的高功率电磁辐射源，尤其是高功率太赫兹( t h z ) 辐射源， 成为人们关注的焦点。本学位论文正是针对上述两个方面开展理论研究： 1 推导出强激光脉冲在部分离化等离子体中传播时的群速度和相速度，在 相互作用过程中光子数守恒的假设下，研究了部分剥离原子极化对激光 脉冲的自聚焦、光子加速、纵向压缩、以及调制不稳定性等物理现象的 非线性作用。结果表明，在部分离化等离子体中，激光脉冲的自聚焦和 光子加速比完全离化等离子体中要快得多，同时，原子极化场的存在， 会在部分离化等离子体中形成正常色散和反常色散的竞争，从而导致通 常的脉冲纵向压缩和调制不稳定性现象发生大的变化； 2 从激光在等离子体中传播的色散关系出发，针对原子或部分剥离原子( 离 子) 在强激光场作用下的电离问题，讨论了电离过程对激光频率的调制 北京工业大学理学博士学位论文 作用。我们发现，气体原子在激光场中的电离快慢，决定介电函数的响 应速率，从而也决定了电离对激光脉冲频率产生调制的快慢，在部分离 化等离子体中，激光频率越高，部分离化原子的极化对激光频率蓝移的 贡献也越大； 3 从麦克斯韦方程组和流体方程出发，采用微扰理论研究了强激光脉冲与 部分离化等离子体相互作用产生的准静态磁场，讨论了部分剥离原子极 化场对准静态自生磁场的修正。结果显示，在高密度部分离化等离子体 中，当激光频率较高时，原子极化场的存在会使回旋自生磁场大大增强， 尤其重要的是会导致磁场方向的改变，这将引起超热电子输运的散束现 象，对超热电子“快点火，极为不利； 4 根据达朗伯方程，探索了超短强激光脉冲在等离子体中诱导t h z 辐射的 可能性，找出了t h z 辐射产生的条件。研究表明，通过超短激光脉冲驱 动的等离子体电流，在激光脉冲群速度大于辐射波相速度的条件下可以 产生强t h z 电磁辐射，辐射频率约为激光脉宽的倒数量级； 5 从强激光脉冲作用下等离子体的介电函数出发，通过对激光产生快电子 的c h e r e n k o v 辐射的研究，发现了t h z 波发射的另一种产生途径。结果 证明，在快电子速度略小于激光脉冲群速度时，能够产生c h e r e n k o v 型 强t h z 电磁辐射。 本学位论文的主要创新为： 1 揭示了部分剥离原子的极化场对激光一等离子体中准静态自生磁场的重 要修正作用，尤其是极化场会改变自生磁场方向的结论属首次报道； 2 揭示了部分剥离原子的极化在相互作用中对激光脉冲的参量调制规律； 3 从理论上证明了强激光脉冲在等离子体中能够诱导高功率t h z 电磁辐 射，并给出了t h z 辐射产生的条件。 关键词：强激光脉冲；部分离化等离子体；调制不稳定性；自生磁场；t h z 电磁辐射；c h e r e n k o v 效应 i i t h ea d v e n to fh i g h - e n e r g yu l t r a - s h o r ta n d - i n t e n s el a s e rp u l s eh a sg r e a t l y p r o m o t e dt h ep r o g r e s si nt h er e s e a r c ho fi n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o no c f ) t h e p r o p o s a lo ft h e “f a s ti g n i t i o n c o n c e p ti ni c fh a st h ei n v e s t i g a t i o fu l t r a - s h o r t a n d i n t e n s el a s e rp u l s ei n t e r a c t i o nw i t hp l a s m a sb e c o m e saf o c u s ，f o rw h i c ht h e w o r l dp o w e rh a si n v e s t e ds u b s t a n t i v ef u n d 1 1 圮d e v e l o p m e n tf l e e t l yi nt h ef i e l df o r t h ep u r p o s eo f m i l i t a r ye q u i p m e n ta n dn a t i o n a ls e c u r i t yh a sb o o s t e dt h er e s e a r c ho f t h ee l e m e n t ss c i e n c eg r e a t l ya n df o r m e dt h r e es p a n - n e wd o m a i n s ，i n t e n s ef i e l d p h y s i c s ，i n t e n s ef i e l dc h e m i s t r y , a n de x 臼o m ec o n d i t i o nc r e a t i o n t h ef a s tp g r e s s f o rt w e n t yy e a r sa l l o w su sc o m i n gi n t ot u r n0 1 1 1 8s t e p st oa p p l i c a t i o ni nt h ea b o v e t h r e ed o m a i n s i nt h ei n t e r a c t i o n , t h ea t o m si nm a t t e ra r ei n e v i t a b l yi o n i z e di ns u c h 眦i n t e n s el a s e rf i e l da n dt h ep l a s m ai si n s t a n t l yf o r m e do nt h em a t t e rs u r f a c e i n t h e o r e t i c a l 。t h ep l a s m ap r o d u c e db yt h ei n t e n s el a s e rp u l s ei sg e n e r a l l yt r e a t e da s 触l yi o n i z e dc h a r g e dp a r t i c l e ，i nw h i c hi n t e r a c t i o ns y s t e mt h el i n e a ra n dn o n l i n e a r p h y s i cp r o c e s s e sa r ee s s e n t i a l l yd o m i n a t e db yt h el a s e re l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n d t h ep l a s m ae l e c t r o s t a t i cf i e l d i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s ，h o w e v e r , t h et a r g e t - a t o m e s p e c i a l l yt h eh i g h - za t o m su s u a l l yc a n n o tb ef u l l ys 订i p p e db y t h ep u l s el a s e rf i e l d , t h ep a r t i a l l ys t r i p p e da t o m s ( i o n s ) h a v et ob ep o l a r i z e da n dc o n s e q u e n t i a l l yt o f o r map o l a r i z a t i o nf i e l du n d e rt h ei n t e n s el a s e rf i e l d t h ec o u p l i n go ft h e p o l a r i z a t i o n f i e l da s s o c i a t e dw i t hb o u n de l e c t r o n s ，p l a s m ae l e c t r o s t a t i cf i e l d a s s o c i a t e dw i t hf r e ee l e c t r o n s ，a n dc l e e t r o m a g n e t i of i e l da s s o c i a t e dw i t hl a s e rp u l s e h o wt om o d i f yt h ew e l l - k n o w np h y s i cr e s u l t sa n dw h a tn e wp h e n o m e n o n sc a nb e i n d u c e di nt h ec o m p e t i t i o no ft h ei n t e r a c t i o nh a v eb e e na t t r a c t i n gr e s e a r c h e r s a t t e n t i o n o nt h eo t h e rh a n d , p l 嬲m a a sas p e c i a lm a t t e rs t 副 ew i t h o u td a m a g e t h r e s h o l d ，i sap r e f e r r e dm e d i u mf o rt h eg e n e r a t i o no fh i g hp o w e re l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o nb yt h ee x c i t a t i o no ft h ei n t e n s eu l t r a s h o r tl a s e rp u l s ea sw e l la st h e c o m p l e xd i v e r s i f o r mm o v e m e n t so ft h ec h a r g e dp a r t i c l e s ，w h i c hi so n eo ft h ea i m s r e s e a r c h e r ss e e k e d ，e s p e c i a l l yf o rt h et e r a h e r t z ( t r i z ) s o u r c ew i t hh i g h - p o w e r t h i s t h e s i sj u s tf o c u s e do nt h ea b o v ei n t e r e s t sa n dp r o c u r e dt h ep r o g r e s s e sa sf o l l o w s ： 1 t h eg r o u pa n dp h a s ev e l o c i t i e so fa ni n t e n s el a s e rp u l s ep r o p a g a t i n gi nt h e p a r t i a l l ys t r i p p e dp l a s m aa d e r i v e d i nt h ea s s u m p t i o no ft h ep h o t o n - n u m b e r c o n s e r v a t i o n , t h ep h o t o na c c e l e r a t i o n , s e l f - f o c u s i n g , l o n g i t u d i n a lb u n c h i n g ，a n dt h e m o d u l a t i o ni n s t a b i l i t yo ft h el a s e rp u l s ea r ei n v e s t i g a t e di nt h ep r e s e n c eo ft h e p a r t i a l l ys t r i p p e da t o mp o l a r i z a t i o n n 圮r e s u l t ss h o wt h a t t h es e l f - f o c u s i n ga n d p h o t o na c c e l e r a t i o no ft h el a s e rp u l s ei nt h ep a r t i a l l ys t r i p p e dp l a s m aa r em u c h f a s t e rt h a ni nt h ef u l l ys t r i p p e dp l a s m a , t h ee x i s t e n c eo ft h ea t o mp o l a r i z a t i o nf i e l d m j 5 奎三些查主堡主堡圭主垡笙銮 r e s u l t si nt h ec o m p e t i t i o nb e t w 黜n o r m a la n da b n o r m a ld i s p e r s i o n sa sw e l la st h e s i g n i f i c a n tc h a n g ei nt h el o n g i t u d i n a lb u n c h i n ga n dm o d u l a t i o ni n s t a b i l i t yo ft h e l a s e rp u l s ei nt h ep a r t i a l l ys t r i p p e dp l a s m a 2 b a s e do nt h ed i s p e r s i o nr e l a t i o no fi n t e n s el a s e rp u l s ep r o p a g a t i n gi nt h e p a r t i a l l ys t r i p p e dp l a s m a , t h el a s e rf r e q u e n c ym o d u l a t i o ng e n e r a t e db yt h ea t o m i c i o n i z i n gp r o c e s si si n v e s t i g a t e d w ef i n dt h a tt h ei o n i z i n gs p e e do fg a sa t o mi nt h e l a s e rf i e l dd e t e r m i n e st h er e s p o n d i n gs p e e do ft h ed i e l e c t r i cf u n c t i o n 勰w e l l 船t h e m o d u l a t i n gs p e e do ft h ep u l s ef r e q u e n c y , i nw h i c ht h er e s u l ts h o w st h eh i g h e rt h e l a s e r f r e q u e n c y , t h eg r e a t e rt h eb j u e - s h i f lo ft h el a s e rf r e q u e n c yd u et ot h e p a r t i a l l ys t r i p p e da t o m i cp o l a r i z a t i o n 3 s t a r t i n gf r o mt h em a x w e l le q u a t i o n sa n dh y d r o d y n a m i ce q u a t i o n s ，t h e q u a s i s t a t i cm a g n e t i cf i e l dr e s u l t e df r o ma ni n t e n s el a s e rp u l s ep r o p a g a t i n gt h r o u g h t h ep a r t i a l l ys t r i p p e dp l a s m ai se x a m i n e da n dt h em o d i f i c a t i o ni n d u c e db yt h e a t o m i cp o l a r i z a t i o nf i e l dt ot h es e l f - g e n e r a t e dm a g n e t i cf i e l di sd i s c u s s e db a s e do n t h ep e r t u r b a t i o nt h e o r y 1 h er e s u l t sr e v e a lt h a t , f o rt h eh i g h e rp l a s m ad e n s i t i e sa n d h i g h e rl a s e rf r e q u e n c i e s ，t h ea t o m i cp o l a r i z a t i o nf i e l dc a ng r e a t l ye 1 1 h a n c ot h e s e l f - g e n 洲m a g n e t i cf i e l de s p e c i a l l yc a n 到孙旭增i t sd i r e c t i o nw h i c h 咖 i n e v i t a b l yi n d u c e t h eu n - b u n c ho ft h eh o te l e c t r o nb e a ma sw e l l 勰b eo f d i s a d v a n t a g et ot h ef a s ti g n i t i o no f h o te l e c t r o ni nt h ei c e 4 a c c o r d i n gt ot h ed a l e m b e r te q u a t i o n , t h ep o s s i b i l i t yo ft h zr a d i a t i o n e x c i t e db ya nu l t r a s h o r tl a s e rp u l s ed r i v e nt h ep l a s m ac u r r e n ti sp r o v e da n dt h e g e n e r a t i o nc o n d i t i o no ft h e1 1 i zr a d i a t i o ni sf o u n di nt h e o r y 耵坞r e s u l ti n d i c a t e s t h a tt h eh i g h e rp o w e rt h zr a d i a t i o nc a no o o u rw h e nt h eg r o u pv e l o c i t yo ft h el a s e r p u l s ei sg r e a t e rt h a nt h ep h a s ev e l o c i t yo ft h er a d i a t e dw a v ea n dt h ef r e q u e n c yo f t h er a d i a t e dw a v ea p p r o x i m a t e st h er e c i p r o c a lo f t h e p u l s ed u r a t i o n 5 b a s e do nt h ed i e l e c t r i cf u n c t i o no fp l a s m ai na ni n t e n s el a s e rp u l s e ，w e f o r e t e l la n o t h e rg e n e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h zr a d i a t i o ni nt h e o r y , w h i c hr a s u l t s f r o mt h ec h e r e n k o ve f f e c ti n d u c e db yt h el a s e rg e n e r a t e df a s te l e c t r o n t h er e s u l t s h o w st h a tt h es t r o n g e rc h e r e n k o vt y p et h zr a d i a t i o nc a ne m i t t e di f t h ev e l o c i t yo f t h ef a s te l e c t r o ns l i g h t l yl e s st h a nt h eg r o u pv e l o c i t yo f t h el a s e rp u l s e t h ei n n o v a t i v ep r o g r e s si nt h i st h e s i ss h o w s f o l l o w s ： 1 t h es i g n i f i c a n tm o d i f i c a t i o no ft h ep a r t i a l l ys t r i p p e da t o m i cp o l a r i z a t i o nf i e l d t ot h es e l f - g e n e r a t e dq u a s i s t a t i cm a g n e t i cf i e l di sr e v e a l e da n dt h ed i r e c t i o no ft h e m a g n e t i cf i e l dc a nb ec h a n g e db yt h ea t o m i cp o l a r i z a t i o nf i e l d ，w h i c hi sf i r s t l y e x p o s e d 2 t h ec o n t r i b u t i o no ft h ea t o m i cp o l a r i z a t i o nf i e l dt om o d u l a t et h ep a r a m e t e r s o fl a s e rp u l s ei su n c o v e r e d 3 i i i g hp o w e rn ze l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nb yi n t e n s el a s e rp u l s ei n t e r a c t i o n i v a b s t r a c t w i t hp l a s m ai sp r e d i c t e di nt h e o r ya n dt h ec o n d i t i o nt h a tt h zr a d i a t i o no o o u r $ i s p r e s e n t e d k e y w o r d s ：i n t e n s el a s e rp u l s e ) p a r t i a l l ys t r i p p e dp l a s m a s ；m o d u l a t i o ni n s t a b i l i t y ； s e l f - m a g n e t i cf i e l d ；t h zr a d i a t i o n ；c h e r e n k o ve f f e c t v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲撇嗍翅：塑 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公御论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：立琶啦导师签名 壹她日期：盟 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 超短脉冲强激光等离子体的研究现状 激光等离子体相互作用物理，是近二十多年来，随着激光技术的发展而发 展起来的新兴科学。其研究内容包括激光在等离子体中的传播和吸收、等离子 体波的激发、等离子体中各种不稳定性的发展、超热电子的产生和输运、自生 磁场的产生、以及等离子体中的各种辐射等丰富的等离子体集体效应和非线性 现象。随着超短脉冲啁啾放大 c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ) 技术的发展，产 生了高功率的超强超短脉冲激光器，尤其是近年来，随着激光聚变研究的深入， 激光等离子体相互作用物理的研究内容也越来越丰富【1 咽 1 1 1 超快激光技术的发展 自从1 9 6 0 年第一台激光器建成后，由于在强度、单色性等方面的优势， 激光在各个领域都得到了广泛的应用唧。追求高峰值功率输出一直是激光技术 发展的目标之一。早期提高输出功率的主要手段是靠缩短脉冲宽度，上世纪六 十年代调q 技术( q s w i t c h e d ) 和锁模( m o d e - l o c k i n g ) 技术的发展将激光脉 冲宽度缩短到n s 和几十p s ，峰值功率提高了六个数量级【l q ，达到g w 水平。 在这样高的功率密度下，光学材料的非线性折射效应引起的自聚焦 ( s e l f - f o c u s i n g ) 和成丝( f i l a m e n t a t i o n ) ，造成材料的破坏，并降低光束质量。 在其后很长时间内提高峰值功率的技术手段没有重大突破。 直到上世纪8 0 年代中后期，引入啁啾放大技术【1 1 1 给超短脉冲激光技术发 展带来了一次革命。特别是掺钛蓝宝石晶体具有宽带高增益和良好的热性能等 优点，是非常理想的超短脉冲激光工作介质。啁啾放大技术原理是从宽频带超 短脉冲振荡器发出的超短激光脉冲先通过一个色散延迟光学元件，使其脉冲宽 度得到f 0 3 1 0 5 倍的展宽，然后注入激光放大器中进行放大，以得到尽可能大 的能量。由于此时激光脉冲很宽，所以放大后的激光脉冲光强仍低于激光介质 的破坏阈值。在激光放大器之后，再通过一个共轭色散补偿光学元件，把放大 北京工业大学理学博士学位论文 后的激光脉冲再压缩回到原来的脉冲宽度这样，既可以保证有高的通量以实 现高的抽取效率，又避免了非线性效应【瑚 9 0 年代以后，世界上许多大学和实验室相继建立了小型装置，脉冲宽度 多为亚p s 至几十f s ，输出能量多小于几百m j ，聚焦功率密度一般低于 1 0 堪w c m 2 。这些装置的建立给物理学带来了新的机遇。科学家们纷纷探索新 现象、新规律和潜在的应用。 近年来，在激光聚变研究需求的推动下，从事激光聚变的各大实验室纷纷 投入力量将c p a 技术与已有的大型固体激光器相耦合，形成了全新的一代高 功率超短固体脉冲激光器。这些激光器的脉冲宽度一般为几百f s ，输出能量为 几十到几百j ，输出功率大都高于5 0 t w ，甚至超过i p w ，聚焦功率密度高达 1 0 1 9 1 0 2 i w c m 2 。 这种新型超短脉冲激光不仅可以产生远大于原子内电场的超强电场，而且 可以产生大于1 0 b a r 的超高压和1 0 t 的超强磁场，可以产生温度高达l d 墩 ( 远大于太阳的温度) 的黑体辐射。在这样强的电场中，电子的振荡速度接近 光速。这将给天体物理、材料科学、等离子体物理、激光核聚变、原子物理、 非线性光学、相对论物理、激光物理、加速器物理、高能物理及其它许多应用 学科带来巨大冲击和机遇。 1 1 2 强激光与等离子体相互作用 啁啾放大技术的发展，极大地推动了激光等离子体研究的发展【协1 7 1 。尤其 是近十年来，随着对“快点火”研究的深入，人们对激光驱动聚变过程中强激 光脉冲与靶等离子体的相互作用进行了大量的研究【i h 扪。强激光等离子体相互 作用研究是激光聚变的重要科学基础，对于实现点火和高增益聚变至关重要 2 6 1 。该领域主要研究内容有1 2 7 - 4 3 1 ：超短强激光脉冲在大尺度等离子体中的传 播特性；超短强激光脉冲与等离子体相互作用产生的各种不稳定性；激光的自 聚焦；高能电子的产生机制及输运特性；准静态自生磁场的产生机制和对激光 传播、高能电子输运的影响；激光等离子体中的电磁辐射和吸收，等等 当激光强度1 0 控w c m 。2 3 0 0 9 c m 3 ) ：第二步，用一束脉冲宽度约为l o o p s 、聚焦光强为1 0 1 s w c m - 2 的激 光辐照压缩后的高密靶丸，这束聚焦的激光会将靶丸的临界密度面进一步压向 北京工业大学理学博士学位论文 中心，在高密度靶丸上穿孔紧接着，用一束脉宽为l o p s 左右、聚焦光强为 1 0 2 0 w e m - 2 的激光对靶芯部分进行快点火。点火的激光束与靶芯的大密度梯度 的高密等离子体相互作用，产生大量能量为m e v 量级的超热电子，超热电子流 穿入高度压缩的靶丸并淀积在靶芯处的燃料中，靶芯附近燃料的局部温度迅速 上升到点火温度，从而实现靶丸的“快点火”。与传统的i c f 方案相比，快点 火方案具有以下优点【4 8 】：大幅度降低对爆炸对称性和驱动能量的要求；大大降 低了对靶的设计、光束质量、辐照均匀性的苛刻要求；与传统的长脉冲大能量 激光装置相比，超短强激光装置的造价相对低廉。 “快点火”方案在目前还有许多物理问题和技术问题有待探讨和解决由 于“快点火”发生在对靶丸进行高度压缩达到很高密度的后期，对实际的激光 装置有很高的要求。因此，在目前阶段，暂时还不具备进行“快点火”方案可 行性判断的总体实验的条件。在这种情况下，如何对“快点火”方案进行合理 的分解实验，对其中的许多物理过程和技术问题分别进行研究，以达到对这一 方案的可行性进行判断的目的，是目前国际激光等离子体研究领域的重要目 标。【婀 除此之外，强激光等离子体在带电粒子加速、激光引雷、激光雷达等许多 国防和民用方面都具有非常广泛的应用前景。 1 2 部分离化原子的极化作用 由于靶物质通常是高z 材料，大多数情况下，在激光与物质的相互作用过 程中，激光场很难将物质原子完全电离，比如，对于金靶等离子体，平均离化 度约为5 l ，还剩下约2 8 个束缚电子f 4 3 i 。在激光驱动聚变过程中，为了得到较 高的能量增益，通常在d t 靶丸外包裹一层高z 材料，所以在相互作用过程中， 激光场很难将其完全离化【4 3 l ，另外，强激光在空气中远距离传输时，空气也不 能完全被电离。因此，在相互作用区域，既存在被电离的自由电子，也存在束 缚在原子核附近的束缚电子。束缚电子在激光电场的作用下要发生轨道形变， 使未完全离化原子发生极化，从而形成极化电流，使得激光一等离子体相互作 用特性发生改变 4 9 - - 5 4 1 。因此，深入研究激光与部分离化等离子体的相互作用， 具有重要意义。 4 第1 章绪论 _ 1 _ e e e ，- 已有的研究结果表明，在强激光部分离化等离子体相互作用过程中，部分 离化原子起了非常重要的作用，见表1 - 1 表l l 强激光分别在完全离化和部分离化等离子体中传播时部 分特性对照表 t a b l e1 1p r o p e r t i e sc o m p a r i s o no fi n t e n s el a s e rp u l s ep r o p a g a t i n g i np a r t i a l l ya n df u l l ys t r i p p e dp l a s m a s 完全离化部分离化备注 调制不稳定性增 国： r 帆= 丢露o + 扣 r e f 4 9 ，5 0 长率r 雌2 盖 成丝不稳定性增 = 丢口；r 聃= 丢讯+ 扣 r e f 4 9 ，5 0 长率 前向拉曼散射不 r = rr = r o 十r r c 【5 2 1 稳定性增长率 布里渊散射不稳 r 一南；。 r 够【 2 】。 定性增长率 r ；f 0 ， 激光自聚焦临界 = 0 去= 陆+ 刳吾： r e 【5 3 】。 密度 表卜i 中，r 是与部分离化原子的非线性极化相联系的物理量，其值和各变量 的表达式如下f 卿： 表i - 2 波长为0 5 1 a n 的线极化激光在各种s t p 气体( = 2 7 x 1 0 1 锄4 ) 中传播时z ) 和r 的近似值 t a b l e1 2t h ea p p r o x i m a t i o n so fz ( 3 ) a n dro fv a r i o u sn e u t r a lg a s e s a ts t p ( = 2 7 x l o l 啪4 ) f o rl i n e a rp o l a r i z e d 屯= o 5 t u nl a s e r g a sh e l i u mn e o na r g o nk r y p t o nx e n o nh 2c 0 2n 2 表1 - 1 中，前向拉曼散射不稳定性； 北京工业大学理学博士学位论文 r o = 孕珈曩酬，r ( ，) = 一瓷( 1 + 碚+ 域； 布里渊散射不稳定性：r o = 丽e k o g 激光自黥砟= 2 饼时，以；去 从表l - 2 中可以看出，由于在不同的气体中，足的值可在几十到几千之闯 变化，因此强激光在部分离化等离子体传播时，激光脉冲的调制不稳定性和成 丝不稳定性增长率，对不同的气体，是强激光在完全离化等离子体中传播时的 几十到几千倍。另外，数值计算的结果也表呼琊，部分离化等离子体申，激 光的前向拉曼散射不稳定性、布里渊散射不稳定性以及自聚焦都与完全离化时 具有明显的不同。 这些研究结果表明，在激光部分离化等离子体相互作用过程中，部分离化 原子在强激光场中由于极化产生的极化场起了非常重要的作用j 除了以上提到 的结果外，人们在不同的领域，从不同角度对强激光部分离化等离子体相互作 用过程还作过不同程度研究，如：p s p r a n g l e 等人对强激光脉冲在空气中的传 播特性【篮2 5 ，5 7 l 和电子分布【5 8 】从理论上进行了探讨，b i nh e 等人用p i c 粒子 模拟的方法对强激光脉冲在逐渐电离等离子体中传播时的频率展宽i s 9 进行了 研究，等等，并得到了不少好的结果。但总体看来，对强激光部分离化等离子 体相互作用的研究还很欠缺，诸如部分离化等离子体中的尾场结构d 3 舯斟】，带 电粒子加速 6 p 7 2 1 ，电离对激光脉冲的影响【5 0 5 ”f l ，以及各种参量过程等等，有 些过程虽有人傲过一定的研究，但不够全面或深度不够，有些过程至今还没有 相关的研究报道。 1 3 激光等离子体中的电磁辐射 在等离子体中存在多种辐射机制，如轫致辐射、复合辐射、线辐射、同步 辐射等等，可以产生非常丰富的电磁辐射。自间接驱动的激光聚变实现方案提 出以来，人们对强激光脉冲与等离子体相互作用过程中，x 射线的产生和x 射 线诊断技术等问题进行了广泛的研究 4 3 , 7 3 7 4 1 。近年来，随着太赫兹( n i z ) 电 6 第1 章绪论 磁辐射理论和应用的发展，人们对t h z 辐射的产生、探测和应用进行了大量 的研究f f 5 - 7 7 1 等离子体作为一种非线性介质，由于没有非线性破坏阈值，具备 产生超强t h t 辐射的可能性f f s ，因而对强激光等离子体相互作用产生t h z 辐 射的研究倍受人们关注 t h z 波是指频率在( 0 1 1 0 ) t h z ( 波长为3 0 0 0 - - 3 0 微米) 范围内的电 磁波( 1 t h z f f i l 0 1 2 h z ) ，人们将其称之为t h z 空隙( t h zg a p ) 。从学科发展 现状而言，n i zg a p 有以下两方面的特点1 7 7 1 ： 1 t h z 波带正好处于科学技术发展相对完善的微波、毫米波与远红外波之 间，是个一直未被利用的“空白”波段。 2 t h z 的长波方向。依赖于电子学( e l e c 仃o n i c s ) 原理已被广泛应用，而 t h z 的短波长方向则依赖于光子学( p h o t o n i c s ) 的发展，是现代科技进步的主流 领域，t h z 波段正是电子学与光子学之间的一块“荒地”因此，t h z 源的产 生与利用给科学技术的进一步发展创造了喜人的机遇。 。 由图1 - 1 可见，它在长波段与毫米波( 亚毫米波) 相重合，而在短波段， 与红外线相重合，可见，t h z 波在电磁波频谱中占有很特殊的位置。 图1 - 1t h z 空白( t h z g a p ) 示意图 f i g 1 - 1t h es k e t c hm a pf o rt h zg a p t h z 辐射的理论研究处在经典理论和量子跃迁理论的过渡区，其性质表现 出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性，从而在生物医学、安检、反恐、国防、 环境保护等许多方面具有重要应用。 北京工业大学理学博士学位论文 对t h z 辐射的应用，首先要解决的是辐射源问题。在目前，虽然有很多 途径可以产生t h z 辐射，比如半导体t h z 源( 包括t h z 量子级联激光器等) ， 基于光子学的t h z 发生器，利用自由电子的t h z 辐射源( 包括t h z 真空器件， 电子回旋脉塞和自由电子激光) ，基于高能加速器的t h z 辐射源，等等，但 是，缺少高功率、低价和小型的t h z 辐射源仍然是这项技术得到广泛应用的重 大障碍1 7 - f 1 1 4 本文的主要研究内容 本文主要研究超短强激光部分离化等离子体相互作用过程中，脉冲激光在 部分离化等离子体中传播的非线性效应，原子电离对激光频率的调制，强激光 作用下原子极化