（凝聚态物理专业论文）强脉冲激光产生的时空弯曲及其效应的理论研究.pdf

上海大学碗士毕业论文 摘要 2 0 世纪9 0 年代以来，以掺钛蓝宝石飞秒激光器为代表的超短脉冲锁模激光 的出现极大地改变了激光技术的面貌；与啁啾脉冲放大技术相结合，产生功率、 脉冲宽度和强度都接近极限的激光脉冲，这将给天体物理、材料科学、等离子体 物理、激光核聚变、原子核物理、非线性光学、相对论物理、凝聚态物理、激光 物理、加速器物理、高能物理及其他许多应用学科带来巨大的影响和机遇。 超短超强激光与固体靶相互作用所产生的高温高密等离予体与太阳及其它恒 星中的条件类似，于是研究学者就通过在激光等离子体实验中引入的与天体物理 有关的思想，力求利用激光等离子体相互作用取得有利于理解天体物理过程的物 理信息。这里关键在于激光等离子体物理与激光聚变的原理同天体物理具有相同 的物理规律，即高能量密度物理。所以可以通过激光来模拟有关天体物理以下四 方面的内容： ( 1 ) 原子物理与辐射传输； ( 2 ) 流体动力学与磁流体力学； ( 3 ) 核反应： ( 4 ) 引力相互作用。 本文运用广义相对论的引力场理论，如：引力场表现为时空弯曲，爱因斯坦 引力场方程，电磁张量、能量一动量张量，克里斯朵菲尔等，求解了线性化爱因 斯坦引力场方程，研究了最常见的激光模式：厄米特高斯( 0 ，0 ) 模线偏振强 脉冲激光所产生的时空弯曲以及一束探测脉冲在此时空弯曲场中发生的偏转效 应。本文主要工作包括以下两方面： 1 运用物理模型和合理的数学近似，求解线性化爱因斯坦方程，得到了表征 激光产生的时空弯曲的物理量 。而得到h 。，的表达式表明：它与所研究 的激光的性质，即激光的形状参数，和传播介质的特性及激光的传播速度 有关。 2 运用类牛顿第二定律的运动方程，我们研究了一束探测脉冲在强脉冲激 光产生的时空弯曲场中的偏转效应，并估计了探测脉冲的偏转量却的数 量级，进而从实验角度分析得出，要观测到此探测脉冲的偏转效应，它至 少需要传播多远的距离；我们从现实的实验条件和实验手段出发，推估了 传播距离的数量级，论证广义相对论线性化近似理论的可观测性，给进行 这方面实验提供了一个的理论依据。 关键词：广义相对论；时空弯曲；线性化近似：强脉冲激光：偏转效应 圭塑查兰堡主望些堡兰 一一 a b s t r a c t i n1 9 9 0 s ，t h ef e m t o s e c o n da m p l i f i c a t i o no ft i ：s a p p h i r el a s e ra p p e a r e d ，a n di t c a r lg e tu l t r a s h o r ti n t e n s el a s e r s ot h el a s e rt e c h n i q u eh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l y a n d t h e p o w e r ，p u l s e d u r a t i o na n di n t e n s i t yo f l a s e rp u l s ew i l tr e a c ht h el i m i tp o i n t a l lt h e s e b r i n gg r e a ti m p a c t a n da tt h es a m et i m ec r e a t es om u c h o p p o r t u n i t y t om a n y a p p l i c a t i o n f i e l d s ，s u c ha sa s t r o p h y s i c s ，m a t e r i a lp h y s i c s ，p l a s m ap h y s i c s ，n u c l e u sp h y s i c s ，l a s e r p h y s i c s ，r e l a t i v i t yp h y s i c s ，a n ds o o n ， h o tp l a s m aw i t hh i g h t e m p e r a t u r ea n dd e n s i t yp r o d u c e d i nt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nu l t r a s h o r ti n t e a s el a s e ra n ds o l i dt a r g e ti ss i m i l a rt ot h es u no ro t h e rs t a r si n u n i v e r s e a n ds o i n v e s t i g a t o r st r y t os i m u l a t et h e a s t r o p h y s i c sp r o c e s sb y t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e ni a s e ra n dp l a s m a 。t h es i m u l a t i o n si n c t u d e 也ef o l l o w i n gf o u r a s p e c t si nt h ea s t r o p h y s i c sf i e l d ， i a t o m yp h y s i c sa n d m d i a t i o nt r a n s m i s s i o n i i h y d r o k i n e t i c sa n dm a g n e t i s mh y d r o k i n e t i c s i i i n u c l e a rr e a c t i o n 帮。g r a v i t a t i o ni n t e r a c t i o n i nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h eg e n e r a lr e l a t i v i t yi n c l u d i n ge i n s t e i ne q u a t i o n ，t h e s t r e s s e n e r g yt e n s o r , t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt e n s o ra n dt h ec h r i s t o f f e ls y m b o l ，w e i n v e s t i g a t et h es p a c e t i m e c u r v a t u r ep r o d u c e d b y t h el i n e a rp o l a r i z a t i o n a lp u l s el a s e ro f h e r m i t - g a u s s i o n o 辩o f t h ec u r r e n t l ya c c e p t e df o r m sf o rt h ei n t e n s ep u l s el a s e r a n d t h e nw ea n a l y z et h ed e f l e c t i o no fa n o t h e rp r o b el a s e rp u l s ei nt h ea b o v es p a c e t i m e c u r v a t u r ef i e l d h s o l v i n gt h el i n e a r l i z e de i n s t e i ne q u a t i o n w eh a v eu s e dt h ep h y s i c a lm o d e l a n dt h er e a s o n a b l em a t h e m a t i c a la p p r o x i m a t i o n ，t h e nw ea c h i e v et h ep h y s i c s q u a n t i t i e sh ”，w h i c h c a r td e s c r i b et h e s p a c e - t i m ec u r v a t u r e f i e l dp r o d u c e db yi n t e n s e p u l s el a s e r w ef i n dt h a tt h e p h y s i c sq u a n t i f i e sh “，d e p e n do n 懒e l a s e rp a r a m e t e r s ，s u c ha s t h ef o r mp a r a m e t e r s ，a n da l s ot h es p r e a dm e d i u ma n dt h es p e e do ft h el a s e r ， f u r t b e r l y ，f r o mt h ev i e wo f e x p e r i m e n t s ，w e u s et h eg e n e r a l r e l a t i v i t ya n a l o g yo f n e w t o n s e c o n dl a wt oe s t i m a t et h es p r e a dd i s t a n c eo ft h ep r o b ep u l s e ，i fw ew a n tt o o b s e r v ea n di n e a x u r et h ed e f t e c t i o no f t h ep r o b e p u l s e o u ri n t e n t i o ni st oc h e c ka n d t e s tt h eg e n e r i r e l a t i v i t yt h e o r y k e yw o r d s ：g e n e r a l r e l a t i v i t y , s p a c e - t i m ec u r v a t u r e ，t h e l i n e a r i z e da p p r o x i m a t i o n ， i n t e n s ep u l s el a s e r , d e f l e c t i o ne f f e c t 上海大学硕：i 毕业论文 第一章引言 1 9 1 5 年，爱因斯坦建立了广义相对论，由于广义相对论是非线性方程，其求 解很复杂，理论问题的研究迄今仍远没有完成。1 9 6 0 年以前，只有少数科学家从 事此领域的研究。因为当时的技术水平太低，而验证广义相对论的实验难度又很高， 且不易提出新的实验思想，因而在很长一段时间内，广义相对论只有三大实验验证： 水星近日点的进动，太阳附近光线的引力偏转及光谱线的引力红移。 2 0 世纪6 0 年代后，由于技术的进步，广义相对论的研究有了飞跃。6 0 年代天 文学方面有四大发现，其中有三大发现，与广义相对论和宇宙学有密切联系：类星 体是非常明亮的微型天体，其红移量z 特别大，目前大多数人认为它与黑洞有密切 关系；脉冲星像灯塔样发出有规则的电磁脉冲，后来证实它是旋转的中子星：3 k 微波背景辐射为黑体谱是宇宙大爆炸的遗迹2 j 。但是，由于广义相对论提出的引力 涉及大尺度时空，所以引力实验相对其他学科而言要少得多，特别是广义相对论预 言的引力波与所谓的时空弯曲，尚未得到实验检钡, q i d 验证。 另一方面，1 9 6 0 年5 月，迈曼研制成功了世界上第一台红宝石激光器，从此 激光技术为物理学的发展开创了一个先河，于是激光物理也成为了人们研究的一个 非常重要的领域。自2 0 世纪9 0 年代以来，以掺钛蓝宝石飞秒激光器为代表的超短 脉冲锁模激光的出现【3 “1 极大地推动了激光技术的发展；与啁啾脉冲放大( c p a ) 技 术1 5 1 相结合，产生了功率、脉宽和强度都接近极限的激光脉冲，从而给整个物理学 都带来了极大的激励和崭新的机遇1 6 1 。 由于超强激光场能在物质中产生超过原子内场强的超强电场，还能产生大于 1 0 u b a r 的超高压和1 0 4 t 的超强磁场以及温度高达1 0 9 k 以上的高温等离子体等极 端物理条件，因而对凝聚态物理、天体物理、核反应和核聚变、化学反应过程、物 质转换和生物结构以及其他许多应用科学研究都有重大意义【”。因此，强场激光物 理的研究无疑将促使人类全面认识极端物理条件下物质的运动规律。 因此，研究人员想利用强激光技术，研究强激光所产生的时空弯曲以及相应的 物理效应，并试图检测此时空弯曲效应以验证广义相对论c s l 。本论文研究了超强脉 冲激光产生的时空弯曲及其效应，后续内容安排如下：第二章为文献综述，概述了 广义相对论的发展、黑洞和激光物理与技术的发展，尤其是超强激光的新近发展； 第三章论述了广义相对论的基本理论方法和爱因斯坦方程的线性化近似，基于此， 研究了超强脉冲激光产生的时空弯曲及另一束激光在此时空弯曲场中的偏转效应； 第四章为结束语，对本论文的工作进行了总结，并对今后可以开展的研究工作作了 一些展望。 上海大学硕士毕业论文 参考文献 【lj i n t e r n a t i o n a lc o m m i t t e eo nt h eg e n e r a l r e l a t i v i t y g e n e r a lr e l a t i v i t y a n d g r a v i t a t i o n m 】l o n d o n ：p l e n u mp r e s s ，1 9 7 0 【2 h a w k i n gs w ，i s r a e lw ，g e n e r a lr e l a t i v i t y 【m c a m b r i d g e ；n e wy o r k ：c a m b r i d g e u n i v e r s i t yp r e s s ，19 7 9 3 u m o r g n e r , ex ，k a n o c r , s h c h o e ta 1 o p t l e t t ，1 9 9 9 ；v 0 1 2 4 ：2 1 1 4 m n i s o l ie ta 1 o p ll e t t ，1 9 9 7 ；v 0 1 2 2 ：5 2 2 5 陈志宏，吕洪方，熊贵光啁啾脉冲放大技术 j ，半导缮姥鬯，1 9 9 9 ；第2 0 卷， 第6 期：3 9 7 4 0 4 。 6 】物理学学科发展战略研究组2 1 世纪物理学发展展望叨，厉士趁坛，2 0 0 0 ；第 2 2 卷，第6 期：7 1 1 【7 孟绍贤，超强激光场物理学叨，劲理学谨奄，1 9 9 9 年，6 月，第1 9 卷，第3 期： 2 3 6 2 6 9 8 m a r l a no s c u l l y ，g e n e r a l r e l a t i v i s t i ct r e a t m e n to ft h eg r a v i t a t i o n a lc o u p l i n gl a s e r b e a m s j 尸h y s r e v d ，1 9 7 9 ：v 0 1 1 9 ，n o 1 2 2 上海大学硕士毕业论文 2 1 广义耀对论发浚壤述 2 1 1 广义相对论的物瑕准备 第二牵文献综述 广义穗对论懿本袋爨摆黠论熬g | 力理论，它憝譬顿零| 力瑾论与狭义程对谂发震 的必然结鬃。 一、尽管n e w t o n 引力理论取得了很大的成功，但它还存在一些根本性的 困难【i 】： l 。镞壤质量和引力蕨量 弓 匆壤量m 0 是一个物体产生袋受蓟引力场 睾露豹麓力，它通过n e w t o n 万有 引力定律中力和距离的测量而得到。而在n e w t o n 第二定律中船现的质量是惯性质 量( m ，) ，反映了物体保持其原先运动状态的能力，它是通过力和加速度的测量得到 的。显面易见，两者是物质的两种不同的属性，我们并不预期它们之间会有馁镪关 系。毽是实验颦涯襄了不溺大小豹一窃黪粪夔耱髂戆弓 力质量与镤缝震量之魄精穗 地相同，郧 一= 鲁) 。潮 旺t ， 人稍胃懿将就魄镪鬻数梦j 入 | 力鬻数g 串，觚黼认为；| 力溪爨与镄性质燮相等 ( m 。= m ，) 。测量引力质爨与惯性质量之间关系的实验是物理学中精确度最高的实验 之一。g a l i l e o 早在1 5 9 1 年于意大利比萨斜塔上所做的有名的自幽落体实验，南实 上已证实了引力质量与惯性质量相等。此后也有人不断地验证( 2 1 ) 的正确燃： n e w t o n 遥遥测量革攒匏瘸凝，涯实了趣靛只与攫长有关，嚣与攒熬勃囊缝袋无关。 b e s s e ! 进步提高了革摆的实验精度。直到1 9 7 2 颦，b r a g i n s k i 等人将实验精度提 高到了9 x 1 0 0 3 。 僵楚究襄为骨么弓| 力质量和缓瞧溪曩攘等? 这褒n e w t o n 萼| 力理论孛莛难以瑾 解的巧合。然两证实两黉撩等的实验事实导致了广义相对论静基本原理之一，郎等 效原理的产生。 2 超鼹作用 n e w t o n 引力场满足v 2 妒= 4 n g p ，掰懿弓| 力终用是种怒鳆作用，这点郎使 在牛顿时代也是难阱接受的。两个远照离的物体之间的作用，必须通过某种介质一 一场的作用一点点的传过去。引力场的情况与静电场有些相似，但静电场的解是 m a x w e l l 方程簿懿一孝孛耱豫j 毒况，艇以n e w t o n ； 力理论一定恣楚墓个完整戆理 论的特豫情况。这个竞熬瓒论就是广义襁对论。 上海大学硕士毕业论文 3 n e u m a n n z e e l i g e r 佯谬 如果假定宇宙是无限的，且宇宙物质均匀地分布，则可以得到 g v 妒面= 。, - g i , o d3 x = 4 卿等儿 ( 2 2 ) 从p 的均匀性可知场强 列= 卜v 妒卜硝寸o 。， ( 2 3 ) 即得出宇宙中每一点的引力场强为无限大，这显然是不合理的，这就是n e u m a n n 和z e e l i g e r 在1 8 7 4 年提出的佯谬。与此完全类似，在牛顿宇宙学中存在o l b e r s 佯 谬：如果宇宙是无限的，发光的星的分布在宇宙中是均匀的，则将导致天空无限亮。 因此n e w t o n 理论与无限的、均匀的宇宙之间存在着内在的矛盾。 4 水星的近日点进动( p r e c e s s i o no f m e r c u r y 。sp e r i h e l i o n ) 1 8 5 9 年法国天文学家l ev e r r i e r 发现水星的近日点每1 0 0 年有5 6 0 0 0 4 1 ”的 进动，而n e w t o n 引力理论只能解释5 5 5 7 6 2 o 2 0 ”，还剩下4 3 ”无法解释。 二、狭义相对论【2 1 狭义相对论研究的是平直时空，从时空的角度出发，广义相对论是狭义相对论 的自然推广弯曲时空或者说存在引力场的时空。 1 g a l i l e o 变换 n e w t o n 力学定义了一类参考系惯性系，所谓惯性系就是自由运动的质点 的加速度为零的参考系。在惯性系中，描述质点运动的n e w t o n 第二定律为 f = m = ，( 2 4 ) 出2 有引力相互作用的质点系的运动方程为 * 争却磊掣川乩z ，儿 眩s ， 根据g a l i l e o 相对性原理，在所有惯性系中经典力学的运动方程形式相同。 设s 为惯性系，另一参考系，原点相对s 的原点以匀速i 运动，两个坐标系的 轴间转动矩阵为r ，月为任意实正交矩阵( 转动中长度保持不变) ，但不随时间而 变化，则s 相对s 的空间变换为i = 硪+ i f + d ，其中d 为任意常矢量。由g a l i l e o 相对性原理，s 系和s 系中的时率相同，即础= 斫，但其原点可以不同，于是 t 。= hr 。因此，惯性系间的变换满足 孑= r 2 + i ，+ 孑和，：，+ r( 2 6 ) 其中r 是3 3 空间实正交矩阵，有9 个参数。i 和孑各有三个参数，f 为一个参数。 此变换叫做g a l i l e o 变换，而力学规律在g a l i l e o 变换下的不变性称为g a l i l e o 不变 性或g a l i l e o 相对性原理。 上海大学硕士毕业论文 2l o r e n t z 变换 e 2 n , n ? - 惯性系s 和n 在s 坐标系中，光速i 害 = c ，i 玟c = l 的单位制，则 协) 2 一d t 2 ：0 在5 坐标系中，光速也为c = 1 ，故也应有( 威) 2 一d t “= o 定义原时间间隔 d r 2 = d t 2 一汹) 2 ， p r ) 2 = 枷) 2 一陋) 2 如果坐标变换满足 p r ) 2 = g ，f p r 2 ， 则此变换能保证光速不变。 如果厂( i ，) 1 ，满足( 2 9 ) 的变换称为共形变换。 如果，g ，f ) = 1 ，( 2 ，9 ) 式简化为d r “= d r 2 ， 称为p o i n c a r e 变换。 可以证明，为使( 2 1 0 ) 式为非奇异的线性变换 形式： ( 2 7 ) ( 2 8 a ) ( 2 8 b ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 时空坐标变换只能具有如下 x 。= a p x 4 + a “，a ，= 0 , l ，2 ，3 ( 2 1 1 ) 其中x o ( _ f l x ，x 2 x 3 为四维坐标，口。和口都是常数。由上式可见 嘶= 等 1 2 ) 口= 口= 0 口= = 1 , 2 ，3 ，即= 口口 一lo o+ l 0o 00 o0 0 0 + 1o 0+ 1 则( 2 8 ) 式可改写成d r2 = d r2 一d x 。d x 7 = - q 口d x 。d x 9 同样有d r “唧d x 8d x 4 ( 2 1 3 ) ( 21 4 ) ( 2 1 5 ) 则 矿筹等嘞以以 ( 2 1 6 ) 这就是光速不变性对变换( 21 1 ) 的要求。满足( 21 6 ) 条件的变换( 2 1 1 ) 称为 一 + 0 ，l l j 掣 叮 令 匕海大学碗+ 卜毕业论文 非齐次l o r e n t z 变换，当d “= 0 时称为齐次l o r e n t z 变换。 3 利空结构 在l o r e n t z 变换下，空间f b q n d l2 = 出2 + d y2 + 出2 和时间问隔础2 都要发生变 化，只有四维时空线元d f 2 = 砷2 d l2 才是不变量。 与三维欧氏空间中线元平方叫2 不同，相对论时空中的四维线元平方d f2 不一 定都是正的，时空间隔可以分成以下三类： ( 1 ) 类时间隔 其特点为d r2 0 ，由四维线元平方的表达式d r2 = d t2 一出2 + d y2 + 出2 看 出，对这类间隔决不能使两事件发生在同一时刻。所以具有这类间隔的两个事件， 在时间上是有先后的，我们可以用l o r e n t z 变换使二事件发生在同一地点，只是时 间上有差异，因而取名为类时间隔。 ( 2 ) 类空间隔 其特点是d r2 2 g m ，它是视界外部区。第1 i 和i v 片上u 2 v 2 ， 即r 1 0 0 k e y ) x 射线源 由于超短脉冲激光与固体靶相互作用的时间极短( 1 0 。2s ) ，所以在固体靶 表面产生的等离子体来不及膨胀，形成了固体密度的等离子体”4 。2 ”。超短脉冲激光 与固体密度的等离子体相互作用可以产生大量的超热电子，其中的物理机制及超 热电子在向靶内发射时产生的高能x 射线是近年来强场物理研究的又一个热点。 通常长脉冲激光与固体靶作用所产生的超热电子，主要是通过等离子体临界密度 以下的低密等离子体中的受激拉曼过程及其他非线性过程产生的。这产生机制 与超短脉冲激光在高密等离子体中产生超热电子的机制完全不同。自由电子在超 短脉冲激光场中将会随电场的周期而高速振荡。对于固体密度等离子体来说，由 于密度极大，因此，这种高速振荡的有质动力能很容易“热化”达到一种以 有质动力能为中心的准麦氏分布。在这种极高温度的超热等离子体中，一部分电 子得到电场的进一步加速，变成动能可达1 0 6 e v 的超热电子，这些超热电子在固 体的离子场的作用下减速而发出能量大于1 0 0 k e v 的超短脉冲的高能x 射线脚j 。 这种高能x 射线由于穿透能力极强、脉冲短，功率远大于同波段的同步辐射源， 引起了人们极大的兴趣。所以，许多研究组正在进行进一步的深入探索。 二、x 射线激光 x 射线激光研究的一个重要目标是在“水窗”波段( 2 3 4 4 3m ) 实现具有饱 和输出能量、相干性好的激光辐射。生物活细胞主要由水分子和碳原子组成。工 作在“水窗”波段的x 射线激光具有无损耗穿透水且容易被碳原子所吸收等特性， 有助于提高成像的对比度。由于x 射线激光的脉冲很短( 1 0 。1 0s ) ，因此，对生物 活细胞基本上无损伤，而且，在这样短的时间内成像，可以完全消除生物活细胞 中因布朗运动和其他动力学运动而产生的模糊现象。因此，水窗的饱和x 射线激 上海大学硕士毕业论文 光是目前唯一能够对生物活细胞进行无损伤三维全息成像和显微成像的光源，这 将为最终解开生命之迷提供理想的工具，对生命科学和其他相关学科带来革命性 的变化。 目前的x 射线激光的增益介质大都采用电子跃迁能量处于x 射线波段的高次 离化的离子。为了使中性原子高次离化，就必须在极短的时间内剥离原子较外壳 层中的许多电子，并在高次离化的离子的能级间形成粒子数反转这就需要在极短 的时间内给激光靶提供大量的能量来实现。目前，只有用高功率的巨型光学激光 装置才能达到这一要求。 1 9 9 4 年，美国利弗莫尔国家实验室利用世界上最大的激光装置产生的3 0 0 0 j 能量的泵浦钇靶，产生了波长为1 5 51 3 m 的饱和x 射线激光根据能量定标定 律，要产生短于这一波长的饱和x 射线激光，将需要使用更大型的激光装置。因 此，给实现“水窗”x 射线激光的饱和输出的希望暂时蒙上了一层阴影。近年来 发展起来的超短脉冲展宽放大技术给x 射线激光突破1 5 5ni t i 大关提供了可能 性。最近，英国的x 射线激光联合实验组采用优化的双脉冲泵浦的方案，分别在 1 4 0 n m ，1 2 6 n m ，1 2 0 n m 和7 3 n m 的波长上实现了饱和的x 射线激光输出【2 7 0 ”， 从理论和实验两方面清除了通往“水窗”饱和x 射线激光的障碍利用高功率的飞 秒激光器作为x 射线激光的泵浦源，有可能进一步提高能量转换效率口”，使x 射 线激光进入一般大学的实验室成为可能。 三、强场下的团簇( c l u s t e r ) 光物理 超短脉冲强激光与单个原子( 气体靶) 相互作用产生的高次谐波、域上电离( a t l ) 和分子离子的库仑爆炸等现象，都已得到了较充分的研究。另一方面，对超短脉 冲强激光与许多原子的集体( 固体靶) 的相互作用也已有不少研究。但是，人们对 于超短脉冲激光与一团原子的集舍团簇的相互作用物理还了解甚少对强场下 的团簇光物理的研究非常重要。团簇光物理效应中。既有单个原子的贡献( 个体效 应) ，又有松散结合的原子团的集体贡献。对团簇光物理的研究有助于建立强场下 单个原子的性质与固体样品中集体效应之间的桥梁。 1 下一代x 射线激光的可能增益介质 目前的x 射线激光的增益介质是剥离原子外壳层电子的激光等离子体，这种 增益介质可以产生的x 射线激光的最短波长大约为l n m 左右。下一代的x 射线激 光必须有新型的增益介质才有可能在短于0l n m 的波长上实现放大。有实验报道 说p “，超短脉冲激光与团簇相互作用会将许多内壳层电子打掉而形成“空心”原 子，外壳层电子向内壳层空位跃迁时的辐射光子波长低于0 1 n m 。目前，英国牛 津大学实验组正在进行在“空心”原子中产生粒子数反转布居的探索。 2 对高次谐波的物理本质的探索 目前的气体高次谐波主要是由超短脉冲激光与单个原子的相互作用而产生 的。雨固体高次谐波则主要是由超短脉冲强激光与等离子体的集体相互作用。这 两种不同的高次谐波的产生物理机制貌似完全不同，其实，二者之间很可能有更 本质的联系。团簇，这一特殊的物质形态，正巧介于单个原子与固体之间，通过 对团簇高次谐波”1 的研究，很有可能会最终建立单个原子高次谐波与集体效应高 次谐波之间的联系，从而获得对高次谐波的物理本质的更深层次的理解。 上海大学硕士毕业论文 四、第四代光源一x 射线s a s e 自由电子激光”“”j 早在1 9 8 4 年自由电子激光的高增益机制被发现的时候p ”，就开始了对s a s e 的研究。s a s e ( s e l f - a m p l i f i e ds p o n t a n e o u se m i s s i o n ) 可以产生高亮度硬x 射线激 光，其峰值亮度比当前的第三代同步辐射高1 0 个数量级：平均亮度高3 - 5 个量级； 脉冲宽度小2 个量级，达到了亚p s 水平：波长短至o 1 n m 。由于这些优异特性， 人们称之为达到继第三代同步辐射之后的第四代光源。目前，世界上第四代光源 有两个：美国的l c l s ”1 和德国的t e s l a s b l c f e 【”j 。 他们都已经进入了预研和设计阶段。这两个装置都是建在电子直线对撞机上，以 充分利用其束流品质的优点。s a s e 可能应用涉及物理、化学、材料、生物和医 学等方面。许多国家都在进行这方面的研究f 3 7 7 3 ”。 s a s e 的理论工作在8 0 年代中后期就基本完成了。主要理论工作分为来三方 面：第、发现了自由电子激光的高增益机制，这是整个高增益自由电子激光的 基础：第二、通过对三维模型的理论分析即1 和模拟分析发现了高增益自由电子 激光具有类似纤维中光导的现象，这方面工作解决了光在长扭摆器中的衍射损失 问题，使高增益自由电子激光变得更加现实；最后一方面，是关于s a s e 的演化， 即s a s e 如何从自发辐射演变成相干光1 4 1 。 s a s e 的理论和计算工作已发展的比较完善了，主要理论问题，如s a s e 如 何从噪声中演化出来：高增益机理和计算；光导现象：电子束品质和扭摆器误差 对s a s e 的影响等，都已得到了比较满意的解决。目前，短波长s a s e 的设计主 要就是建立在理论和模拟计算基础上，这说明人们对于s a s e 的理论和模拟计算 是有信心的。就目前的技术水平，s a s e 各单个设备的主要设计指标经努力是完 全可以达到要求的。但由于还缺乏较短波长s a s e 的实验验证，因此硬x 射线能 否实现目前还是一个未知数，但人们对此是有信心的。 五、实验室天体物理学 随着强激光天体物理学的提出，对于天体物理现象的实验室模拟进入了一个 崭新的阶段。高功率激光与物质相互作用所产生的激光等离子体覆盖了极大的温 度与密度范围。强激光天体物理学的目标仅仅在于，通过在激光等离子体实验中 g l 入与天体物理相关的思想，力求利用激光等离子体相互作用取得有利于理解天 体物理过程的物理信息。而实现这一目的的关键基础在于激光等离子体物理或 激光聚变的原理与天体物理具有相同的物理规律，即高能量密度物理【4 2 “”。大爆 炸三分钟之后的天体物理可以分为以下四个方面的内容： ( 1 ) 原子物理与辐射传输： ( 2 ) 流体动力学与磁流体力学； ( 3 ) 核反应； ( 4 ) 引力相互作用。 显而易见，利用强激光或超强激光，对于( 1 ) 一( 4 ) 的内容可以通过模型实验来 进行研究，而它们也正好大致对应着恒星物理所感兴趣的三个层次。此外，最近 有人在理论上提出利用超强激光与电子的相互作用来验证弯曲( 引力) 空间的量子 场论”“，因此事实上按照基本物理特征来划分的天体物理学的所有重要内容都有 可能利用超强激光与物质相互作用来进行模拟。远在等离子体天体物理建立起来 之前，即远在使用等离子体的概念描写天体物理过程之前，在以原子分子物理理 论为基础的光学天文学时期超短脉冲激光与固体靶相互作用产生的高温高密等 上海大学硕士毕业论文 离子体与太阳及其他恒星中的条件类似。当激光的聚焦强度等于1 0 ”w ( 1 0 ”w c m 2 um 2 ) ，其光压接近1 0 9 b a r 时，将会对等离子体进行进一步的压缩。这种极端 条件下对于天体物理学家在实验室里模拟了解太阳和其他恒星中的物理过程提供 了极好的实验手段，越来越多的天体物理学家对此表示了强烈的兴趣【4 ”。 德克萨斯大学奥斯卡分校的t a j i m a ，大阪大学的h t a k e b e ，东京大学的 s l c h i m a r u 以及劳仑兹利弗莫尔国家实验室的b r e m i n g t o n 提出，在1 0 2 0 w c m 2 ( 相当于兆巴的压强) 光强下，天文物理的条件如不透明度、密度和湿度等都可 以再现和进行试验，其中一个建议是考察核聚变( 诸如热核和压强诱导的核聚变) 速率，它们在致密状态下将有很大变化。超强激光条件下的超高压金属物理可以 用于理解恒星内部氢的相变、金属化和结晶化，而且可以有助于研究影响超新星、 恒星和星云的物理机制。 在有质动力加速过程中，电子在小于皮秒时间内出冷电子速度加速到光速， 这相当于加速度为1 0 2 1 9 。最近，德国j e n a 大学的r s a u b r e y 报道了在强度为 1 0 2 0 w c m 2 ( 按目前标准衡量是中等强度) 时所测的等离子体加速度已达1 0 ”g ，这种 巨大的加速度和在黑洞边界附近发现的相同。根据s l a c ( 斯坦福直线加速器中 心) 的r c h e n 和t a j i m a