超強飛秒激光等離子體通道研究范文

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《原子與分子物理學報》2016年第3期

摘要:

應用多光子非線性Compton散射模型、空間動態補償模型、非線性薛定諤方程和數值模擬方法，研究了Compton散射對超強飛秒激光等離子體中通道的影響，提出了將Compton散射光作為形成等離子體通道的新機制，給出了超強飛秒激光脈沖在等離子體中傳播和電子密度隨時間變化的非線性修正方程，并進行了數值模擬．研究發現:散射使等離子體中電子密度峰值增大1個量級，半徑增大1mm．激光最大功率密度被限制在1018W/m2以下，隨傳輸距離增大緩慢衰減．傳輸初始階段，單脈沖衰減能量較散射前增大2%，之后衰減較平緩．通過增加超強飛秒激光脈沖輸入功率，能有效地增加電子密度峰值，有利于等離子體通道的形成．并對所的結論給出了初步物理解釋．

關鍵詞:

等離子體;超強飛秒激光;等離子體通道;電子密度峰值;自聚焦;非線性Compton散射

1引言

由于超強超短激光脈沖與空氣作用產生的等離子體通道具有很強的導電特性［1］，在高壓放電控制［2］、質子加速［3］、激光自聚焦和自成絲［4］、等離子體通道天線設計［5］等方面具有重要應用，因此已成為近幾年來人們研究的熱點［6－10］．目前，已提出等離子體通道形成機制的3個模型:運動焦點模型、自引導模型和空間動態補償模型［11］．Theberge等［12，13］指出，一定條件下激光可延長等離子體通道壽命．王海濤等［14］指出，不同形式和注入時間的激光脈沖對高密度等離子體通道有較大影響．等［15］指出，相對論效應使等離子體中激光脈沖自聚焦效應減緩，Compton散射能加速自聚焦效應．劉勇等［16］指出，橫等離激元與對離子等離子體非線性作用產生的坍塌將產生小尺度密度空穴．張寧等［17］指出，激光波長，單脈沖能量、脈寬和束腰半徑等對等離子體通道有顯著影響．郝東山［18］提出了將Compton散射光作為改變等離子體電子密度峰值的新機制．近期，等［19］指出，Compton散射是影響等離子體輻射阻尼和通道壽命的關鍵因素之一．應指出，在對超強激光等離子體通道演化的研究中，以上研究并未考慮非線性Compton散射因素．實驗表明［20］:等離子體內光強達1016W/cm2量級時，非線性Compton散射開始顯現．可見，該散射對等離子體通道的影響是不能忽略的．本文基于多光子非線性Compton散射模型、空間動態補償模型、非線性薛定諤方程和數值模擬方法，討論了Compton散射對等離子體通道演化的影響．

2理論分析

若激光脈沖與等離子體作用發生多光子非線性Compton散射(簡稱散射)，則散射光頻為［19］η=|γ－γf|/(γ－1)為散射非彈性參量，γ=［1－(υc－1)2］－1/2=(1－β2)－1/2和γf=［1－(υc－1)2］－1/2=(1－β2f)－1/2、υ和υf分別為電子散射前后洛侖茲因子、速度;θ為電子和光子運動方向夾角;θ'1和θ'為電子靜止系中電子與散射光子運動方向夾角和光子散射角;N、c、m、h=2π別為與電子同時作用光子數、真空中光速、電子靜質量、普朗克常數．入射光和散射光形成的耦合光在等離子體中傳輸時，散射光必然引起等離子體參數變化．耦合超強飛秒激光脈沖在等離子體中傳播演化過程可用非線性薛定諤方程描述為式中，A和k及ΔA和Δk為入射激光場和波束及其擾動;α1、α2、α3及Δα1、Δα2、Δα3分別為衍射和色散等線性項展開系數及相應擾動;n0、Ui0n、n2和Δn2分別為線性折射率、特征分子能量、非線性折射率及其擾動;ωp=(4πq2n/m)1/2和Δωp=(4πq2Δn/m)1/2為等離子體頻率及其擾動，n和ν及Δn和Δν為電子密度和碰撞頻率及其相應擾動;χ、Q和ΔQ分別為線性極化率、無量綱拉曼振蕩函數及其擾動;δn為等離子體密度擾動;式兩端第二項為散射擾動項．對空氣中傳輸激光，n0=(1+4πχ)1/2≈1，則χ=0．因散射效應主要使等離子體中非線性成分增大，故式(2)線性項及擾動可用經典模型取代［21］，即一階導數系數為0，二階導數項為kk'2A/c2t2+Δkk'2A/c2t2+(kΔk'2A/c2t2+kk'2ΔA/c2t2)，其中k'和Δk'為群速色散系數及其擾動．等式右端為非線性項及其擾動，包括Kerr效應、電子相對論效應、等離子體波、激光能損和分子受激拉曼散射等．可見，散射使使等離子體中線性成分略有增大．非線性顯著增大．因A對傳輸方向z的二階導數遠小于一階導數，故可得近似計算模型為式兩端第二項為散射擾動項．對式(3)做柱坐標(r，φ，z)變換．設耦合激光為在空氣中準直傳輸的高斯脈沖，且忽略其在φ方向的變化，則式(3)可寫作其中A0=(2p0/πr20)1/2和ΔA0≈(2Δp0/πr20)1/2、r0和τc、p0和Δp0分別為散射前激光電場振幅及其擾動、耦合激光束腰半徑和脈寬、功率及其擾動．多光子電離中電子數密度隨時間的演化為式兩端第二項為散射擾動項;μ和Δμ、K、nat分別為多光子電離引起的離焦效應系數及其擾動、光子數、空氣中性分子密度．

3數值模擬結果及討論

散射前后單脈沖輸入能量與功率及擾動E0=p0τ0(π/2)1/2和ΔE0=(Δp0τ0+p0Δτ0)(π/2)1/2，發生自聚焦時耦合功率大于臨界功率pcr≈(λ20+2λ0Δλ0)/2πn2．以紫外光為例進行數值模擬．選取激光脈沖參數:r0=3.1mm和Δr0=－0.1mm;τ0=130fs和Δτ0=－10fs;峰值功率密度及擾動為I0=4.5×1020W/m2和ΔI0=0.5×1020W/m2;波長及其擾動λ0=248nm和Δλ0=－8nm;n2=7.5×10－23m2/W和Δn2=0.5×10－23m2/W;μ(3)=10－29m2k－3•W1－k和Δμ(3)=1×10－30m2k－3•W1－k;k'=1.21×10－28s2/m和Δk'=－0.21×10－28s2/m;多光子電離中吸收光子數K=3;自聚焦臨界功率及其擾動pcr0=0.12GW和Δpcr0=－0.039GW．電子密度徑向分布隨傳輸方向變化關系如圖1所示．由圖1知，中心軸上電子密度峰值在1024/m3量級，半徑約為0.4mm．與散射前相比，密度峰值增大1個量級，半徑增大1mm．這是由于散射使等離子體中的粒子碰撞頻率增大，電子縱向動量(或速度)各向異性分布加劇，產生的自生磁場使電子縱向動量(或速度)增大的緣故．激光強度通量徑向分布隨傳輸距離的變化關系如圖2所示．由圖2知，與散射前相比，激光強度通量橫向分布的寬度明顯縮小，激光能量的橫向成絲現象增強．這是由于散射使激光中的非線性成分明顯增大，橫等離激元與等離子體的非線性作用中形成的坍塌效應在小尺度密度空穴區域內產生了更強的電場，該電場的電場強度加速了等離子體中的非線性發展的緣故．不同傳輸距離處激光強度通量截面圖如圖3所示．由圖3知，與散射前相比，激光能量較快地衰減，向兩側的分裂加劇．這是由于散射使等離子體中的電子密度發生了劇烈的變化，電子速度(或動量)的橫向各向異性分布加劇，使橫等離激元調制不穩定性加劇，從而導致橫等離激元與等離子體非線性作用時的坍塌加劇的緣故．激光最大功率密度隨傳輸距離變化關系如圖4所示．由圖4知，與散射前相比，最大功率密被限制在1018W/m2以下，隨傳輸距離增大緩慢下降．這是由于散射使等離子體中有較多粒子發生了二級和三級電離，從而消耗了更多能量的緣故．單脈沖能量隨傳輸距離變化關系如圖5所示．由圖5知，單脈沖能量傳輸初始階段下降較快，之后下降較平緩，傳輸5米后，大約衰減了12%．與散射前相比，衰減能量約增加2%．這是因超強短脈沖激光在空氣中傳播的初始階段就發生了非線性Compton散射，使局部空氣迅速形成了等離子體，之后階段形成等離子體幾率大大減小的緣故。

4結論

本文基于多光子非線性Compton散射模型，研究了超強激光等離子體中激光能量變化對等離子體通道的影響．結果表明:散射使等離子體中電子密度峰值顯著增大，自聚焦效應增強，激光最大功率密度隨傳輸距離增大衰減較慢．采用超強激光脈沖在空氣中能形成自聚焦傳輸，通過增加輸入功率或能量，能有效增加電子密度峰值，有利于自聚焦和等離子體通道的形成，為今后等離子體通道的應用提供了一種簡單易行的技術途徑．

參考文獻:

［3］［夏新仁，王守杰，金賢龍，等.新概念激光等離子體通道天線的研究［J］.中國電子科學院學報，2011，6(2):147］

［8］［禹定臣，郝曉飛，郝東山.Comp-ton散射下等離子體交叉相位調制不穩定性增益譜［J］.原子與分子物理學報，2013，30(1):167］

［9］［劉經天，郝東山.Compton散射下離子初始速度對等離子鞘層厚度的影響［J］.原子與分子物理學報，2014，31(3):443］

［10］［高海林，郝東山.超強激光照射三維時變等離子體散射新機制［J］.原子與分子物理學報，2014，31(5):759］

［13］［陳文，范承玉，王海濤，等.超短脈沖激光產生等離子體通道壽命研究［J］.強激光與粒子束，2013，25(4):813］

［14］［王海濤，范承玉，沈紅，等．飛秒光絲中等離子體密度時間演化特征［J］.強激光與粒子束，2012，24(5):1024］

［15］［郝東山.Compton散射對短脈沖強激光在次臨界等離子體中自聚焦的影響［J］.光學技術，2014，40(1):50］

［16］［劉勇，劉三秋.橫等離激元與對等離子體的非線性作用［J］.核聚變與等離子體物理，2011，31(1):19］

［17］［張寧，金韜，鄧圓.空氣中激光等離子體通道的演變和控制［J］.強激光與粒子束，2010，22(8):1939］

［18］［郝東山.康普頓散射對飛秒光絲中等離子體密度時演特性的影響［J］.中國激光，2014，41(5):0505002］

［19］［郝東山.Compton散射對激光等離子體通道壽命的影響［J］.原子與分子物理學報，2015，32(1):125］

［20］［孔青，朱立俊，王加祥，等.電子在超強激光場中的動力學特性［J］.物理學報，1999，48(4):650］

作者:歐群雍 郝東山 單位:鄭州工業應用技術學院信息工程學院