（原子与分子物理专业论文）飞秒激光等离子体相互作用中自生磁场的实验研究.pdf

旧川人学倾j 卜学位论文 乳5 4 6 2 3 飞秒激光等离子体相互作用中自生磁场的实验研究 原子分子物理专业 研究生焦春晔 指导教师杨向东 超短超强激光与固体靶相互作用产生强的自生磁场。它对等离子体尾流加 速、能量吸收、热输运、电子及离子的动力学行为、等离子体膨胀等多方面都有 很大的影响。自1 9 9 7 年j a s t a m p e r 利用线圈探测到激光等离子体相互作用过 程中的自生磁场之后，人们在理论( 数值模拟) 和实验上对其进行了有益的探索。 论文简单介绍了惯性约束聚变和快点火的概念，阐述了激光等离子体相互作 用相关的基本概念和基础理论，比较全面地阐述了激光与等离子体相互作用中自 生磁场的研究现状、产生机制，并详细介绍了在高温高密度国家重点实验室2 0 t w 超短超强激光装爨上利用高次谐波伴线结构法取得的自生磁场测量结果。 本文通过测量超短超强激光与固体靶相互作用中产生的高次谐波谱的精细 结构，反推自生磁场的大小达兆高斯量级，此实验方法在国内尚属首次实验采 用0 m a 光学多道分析谱仪( 谱分辨0 1 n n ) 加c c d ( 11 5 2 1 2 4 2 ) 相机探测设各， 用消色差的相机镜头作为空间分辨，测量2 谐波的一维精细结构谱，对利用散 射光测量系统进行了初步探索研究。实验中采用针孔相机和c c d 相机，测量出的 x 光焦斑约为3 5 p r o ( f w h m ) ，打靶激光能量为5 3 0 m j ，给出激光靶面功率密度约 5 1 0 ”w c m 2 实验中用光学c c d 采集2 谐波谱，观测到2 0 ) 。波谱出现多峰伴线结 构，此伴线结构与j i a nz h e n g 等( p 0 。p ，9 ，3 1 9 3 ，( 2 0 0 2 ) ) 的p i c 模拟相似。 根据理论公式推算出激光与固体靶相互作用中离子体中的自生磁场达兆高斯量 级，与m b o r g h e s i 等( p r l ，8 1 ，1 1 2 ( 1 9 9 8 ) ) 和李玉同博士论文报道的结果较 好地一致。 女笃象葭爹霆 叫j i i 大学硕j 二学位论文 对采集到的谐波谱的空间方向进行处理，在一维空间方向上产生的自生磁场 是不均匀的，呈现出两端较强，中间较弱的分布，即测量的磁场在一维空间上是 一环形分布。 关键词：飞秒激光等离子体o m a 谱仪2 谐波自生磁场 州川大学顿 ：学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d i e so i ls p o n t a n e o u sm a g n e t i c f i e l dp r o d u c e di nt h ei n t e r a c t i o no f f e m t o s e c o n dl a s e rp l a s m a a t o m i ca n dm o l e c u l a rp h y s i c s p o s t g a d u a t e ：j i a oc h u n y c a d v i s o r ：y a n gx i a n g d o n g l a r g es p o n t a n e o u sm a g n e t i cf i e l di sp r o d u c e dd u r i n gt h ei n t e r a c t i o no f u l n a s h o r t a n du l t r a i n t e n s el a s e r 、v i t ls o l i d s i ti n f l u e n c e s g r e a t l yt h ep l a s m aw a k e f i e l d a c c e l e r a t i o n ，e n e r g ya b s o r p t i o n ，e n e r g yt r a n s p o r t ，t h ed y n a m i c sb e h a v i o r so fe l e c t r o n s a n di o n s ，e x p a n s i o no f p l a s m a ，e t c p e o p l eh a v es t u d i e dt h es p o n t a n e o u sm a g n e t i cf i e l d f r o mt h e o r e t i c a ls i m u l a t i o nm a de x p e r i m e n ta f t e r j a s t a m p e r m e a s u r e dt h e s p o n t a n e o u sm a g n e t i cf i e l dd u r i n gt h ei n t e r a c t i o no f l a s e rp l a s m ai n1 9 9 7 f i r s t , t h ei c fa n dt h ef a s ti g n i t i o na r ei n t r o d u c e ds i m p l y s e c o n d l yt h eb a s i c c o n c e p t sa n dt h e o r i e sf o rl a s e r - p l a s m ai n t e r a c t i o na r ee x p a t i a t e d ，t h e nt h er e c e n t r e s e a r c hs t a t u s ，t h eg e n e r a t i o nm e c h a n i s m so fs p o n t a n e o u sm a g n e t i cf i e l dd u r i n gt h e i n t e r a c t i o no f l a s e r - p l a s m aa l ed e s c r i b e di nd e t a i l ，f i n a l l yt h ei n t r o d u c t i o ni sf o c u s e do n t h ee x p e r i m e n ts e t u pa n dr e s u l t so fs p o n t a n e o u sm a g n e t i cf i e l do n2 0 t wl a s e rf a c i l i t y i nc h i n aa c a d e m yo fe n g i n e e r i n gp h y s i c sk e yl a b o r a t o r y i nt h i st h e s i s ，t h es p o n t a n e o u sm a g n e t i cf i e l di sd e d u c e db yt h ef i n es t r u c t u r e s p e c t r u mo f2 0 ) 0h a r m o n i c so ft h ei n t e r a c t i o no ft h eu l t r a - s h o r ta n du l t r a - i n t e n s el a s e r w i t hs o l i d u s i n gt h eo m ao p t i c a lm u k i c h a n n e ls p e c t r o m e t r y ，c c d ( 1 1 5 2 x1 2 4 2 ) c a m e r ad e t e c t e q u i p m e n t a n da c h r o m a t i ca b e r r a t i o nc a m e r al e n sf o r s p a t i a l d i s t i n g u i s h i n g ，w ec a r r i e do u tt h ee x p e r i m e n t st om e a s u r et h eo n e d i m e n s i o nf i n e s t r u c t u r es p e c t r u mo f 2 0 ) 0h a r m o n i c s ，a n dt h e ni n v e s t i g a t e dp r i m a r i l yt h em e a s u r e m e n t s y s t e mo fs c a t t e r i n gl i g h t ，i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ep i n - h o l ec a m e r aa n dc c dc a m e r a w e r ee m p l o y e dt og i v et h ed i a m e t e ro fx r a yl a s e rs p o ta b o u t3 5u r n ，t h el a s e re n e r g y 四川人学硕l 学位论史 a b o u t5 3 0 m j ，a n dt h el a s e ri n t e n s i t yo nt h et a r g e ta b o u t5 1 0 1 7 w c m 2 e s p e c i a l l y , w e h a v eo b s e r v e dt h e2 0 0s p e c m m aw i t hs a t e l l i t es t r u c t i l r ew h i c hw a si na g r e e m e n tw i t h p i cs i m u l a t i o no fz h e n gj i a n a d d i t i o n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h et h e o r yf o r m u l a , t h e s p o n t a n e o u sm a g n e t i cf i e l di nt h ei n t e r a c t i o no fl a s e rw i t ht h es o l i d s w a su pt o m g ，w h i c hv c a sa l s oc o n s i s t e n tw e l lw i t ht h er e s u l t so f m b o r g h e s ia n d t h et h e s i so f l iy u t o n gf o rd o c t o rd e g r e e d e a l i n gw i t hs p e c t r u mi nt h es p a t i a ld i r e c t i o n w ef o u n dt h a tt h es p o n t a n e o u s m a g n e t i cf i e l dw a sn o tu n i f o r m ，b u tm o r ei n t e n s ei nt h ec i r c u m f e r e n c et h a ni nt h e c e n t r a l t h a tw a sa l s ot os a yt h a tt h em a g n e t i cf i e l dw a sr i n g s h a p ed i s t r i b u t i o ni nt h e o n e d i m e n s i o ns p a c e k e yw o r d s ：f e m t o s e c o n dl a s e rp l a s m a o m as p e c t r o m e t r y , 2 w oh a r m o n i c s ， s p o n t a n e o u sm a g n e t i cf i e l d 四川大学硕士学位论文 1 绪论 八十年代中期以来，随着超短脉冲啁啾放大技术( c h i r p e dp u l s e a m p l i f i c a t i o n ，c p a ) 重大突破“1 ，激光输出功率提高了5 6 个数量级。现今 的t w 级超短超强激光脉冲强度可达1 0 i 0 2 w c m 2 ，其场强可大于任何原子内部 场强，电子在光场中的高速抖动( q u i v e r ) 动量达到和超过了光速与电子静止 质量乘积，进入了相对论状态，且伴随强场产生极强的有质动力( p o n d e r o m o t i v e f o r c e ) ，产生极高能电子和超强自生磁场。这样的高功率密度在实验室中产生 了前所未有的强电场，强磁场，高压强和高密度的极端物理条件，为i c f 快点 火，高能量密度物理。粒子加速，非线性光学，相对论物理，天体物理等领域 的研究提供了创新机遇。 本节首先简单叙述了惯性约束聚变与“快点火”的概念，然后讨论了一些 与强场密切相关的相对论电子动力学的问题，随后介绍了激光等离子体中的散 射。下面分别展丌介绍。 1 1 惯性约束聚变与“快点火” 自1 9 9 4 年m t a b a k 等人提出“快点火”( f a s ti g n i t i o n ) 的概念以来， 很快成为国际上的研究热点，现在正处于概念研究阶段。“快点火”提出了一条 通向惯性约束核聚变( i c f ) 的推测性途径。通过超短超强激光脉冲与常规聚变 激光器的配合使用，有可能只用比常规聚变方案所要求的小得多的激光驱动能 量就可以产生较高的增益。这一方案不仅使驱动激光的能量降低，而且对内爆 驱动器的光束质量和对称性的要求也不太严格，大大的减轻了内爆的困难。 1 1 1 惯性约束聚变 惯性约束聚变( i c f ) 分为四个阶段：激光辐射、内爆压缩、聚变点火、聚 变燃烧( 如图1 ) 。重点是中心热斑点火，即用激光束把包含着d t 的靶丸均匀 压缩，产生中心热斑而实现点火。热斑周围是冷的高密度d t 燃料，中心热斑产 生的a 离子再把能量沉积在冷燃料中形成增值燃烧。在这种机制中，对大尺度 的球的对称性和靶的小尺度均匀性都有严格的要求。巨大的球收缩比和强大的 叫门l 大学顿十学位论文 驱动压将导致推进层巨大的r t ( r a l e i g h t a y l o ri n s t a b i l i t y ) 不稳定性增 长。通过增加压缩能量而达到的靶增益是有限的，而且点火的闽值能量也很高。 这些因数决定了驱动器的大小和达到靶增益的最小注入能量要几个兆焦耳。也 就是说，传统的惯性约束聚变要求极高的激光辐照对称性( i m j ) 以达到中心点火和热核燃烧，这 无疑存在着巨大的难度。 图11 惯性约束聚变( i c f ) 的四个阶段 而“快点火”方案将压缩和点火两个过程分开，它包括以下三个阶段：首 先与常规聚变方案一样，使靶丸内爆形成高密度芯部；然后利用高强度激光所 具有的有质动力将临界密度面推到靠近靶丸高密度芯部，在消融材料构成的靶 丸冕区打一个孔；最后借助超短超强激光与等离子体相互作用所产生的超热电 子把能量从临界面传输到高密度芯部使燃料点火。 1 1 2 快点火概念 快点火概念方案中，首先利用中等激光强度把聚变燃料均匀压缩到最大密 度( 3 0 0 9 e m 。= 1 ) ，再用一束短脉冲强激光( l o o p s 、i 0 ”1 0 w c m 2 ) 产生穿越等 离子体冕区( 低于临界密度) 的通道。然后一束超短脉冲激光( p s 、i 0 ”w c m 2 ) 通过前面产生的通道达到压缩的靶丸，与靶丸的高密度等离子体相互作用，产 四川i 大学硕士学位论文 图1 2 快点火模型 生大量的1 5 m e v 的超热电子，超热电子向靶丸内输运、沉积能量加热局部的 氘氚离子，氘氚离子发生聚变反应，产生粒子点火。最后热核燃烧向未被超热 电子加热的“冷”靶丸传播，实现高增益燃烧( 如图2 ) 。人们后来又提出了利 用在通道术端由于激光与等离子体相互作用产生的高能离子来代替超热电子能 量沉积实现点火的方案。“。2 0 0 1 年，同本大阪大学通过一个里程碑式的锥壳点 火实验证实了快点火方案实施的可能性”。 由于“快点火”方案将压缩和点火两个过程分丌进行，这样将大幅度降低 对压缩对称性和驱动能量的要求。与传统i c f l e 较快点火有许多独特的优点：第 一，其预压缩对流体力学不稳定性不敏感，而且预压缩过程中流体力学不稳定 性发展也不会那么大；第二，快点火更省能量，点火闽值可由中心热斑点火方 式的lm j 减少到一l o ok j ；第三，快点火比中心点火方式有更高的增益。 快点火必须验证其物理可行性，实际上它把困难转变为大能量皮秒激光系 统的建造和相对论电子束的产生及向靶心的输运，许多新的物理问题需要解决。 如高能量脉冲在高密度等离子体中的传输，压缩阶段的靶设计等。最关键的问 题是弄懂点火热斑和点火激光脉冲之间的能量传输问题，也就是说，光脉冲必 须要在1 0 p s 的时间内把5 0 k j 的能量沉积在l o 微米的尺度内。这涉及到电子的相 对论加速、激光束的相对论自聚焦、等离子体状态随入射激光的相对发展。在 这种机制中有许多新颖，甚至是新奇的物理现象。由于靶的点火点的密度远高 于激光的临界密度( 相对论校正) ，激光能量将在临界面处转换为高能电子的 射流，高能电子继续向内输运把能量沉积到点火点而形成点火。在这个过程中 四川大学硕十学位论文 高能电子流远大于a l f v e n 极限，由于等离子体要求电中性，从而形成很大的分 离电场，强大的电磁场又影响电子流动，这又导致小尺度的w e i b e l 不稳定性。 所有这些现象都必须仔细研究，才能使快点火得以成功实现。 1 2 相对论电子动力学 当激光强度高于1 0 ”w c m 2 时电子在其中的振荡速度接近光速，因而需要用 相对论描述。电子动量 p = 朋。；，万；兰：上 c y m c c 师舡计怛= t 一番广因而 y = 电子运动满足l o r e n t z 方程： a p ：一p 西一兰；。否 d t c 电磁场同矢量和标量势表示 一a 一一 b = v a ，e = 一二一a 一黝 塑=一opdto tt 高1 4 - = ；旦o t j 埘一兰c ；j ) 、 c 、， 定义广义动量五= p e c - j ，并注意到 衫影= ；眵；) + ( i 弓后 得到 盟：v。p。云)+寻-mc2y)ot 、c ， 、7 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 四川大学顶上学位论文 蚓 西 由此可得 弓z = 0 如果f = 0 时它成立”3 由此 等= 弓m c 2 动) ( 1 8 ) ( 1 9 ( 1 1 0 ) 塑= e 勃一m c2 动+ 三昙j = 一e i m c2 动 a tca t 弓一p = 弓( ；j = e 云，c ( i - h ) 上式将电子动量方程由电磁学描述。当用矢、标势描述时，矢、标势不是唯一 确定的，可采用库仑规范：弓爿：o 。由于垂直方向是均匀的，这规范意味着 一。= 0 。写成垂直与平行于梯度( 设这一方向不随时间变化) 的分量，可得 p ：三爿 ( 1 1 2 ) 1 = 一爿l ( 卜 j c 警= v ，) 1 3 ) ( 1 一i 3 ) 式右端第二项为一个电子受到的有质动力。有质动力定义为l o r e n t z 方程中的两项 厶= 一s 弓后一p ；否= 一m e 2 谤 ( 卜1 4 ) ( 这两项都是两个快变量的乘积，有质动力项本是上式的时间平均即慢变部分， 这罩定义有所拓宽) 。 在等离子体中，库仑规范下，电磁场矢、标量势满足 f v 2 _ 斋卜一了4 n ，。：+ 磊a - - v v 2 西= 4 7 ( 1 一1 5 ) 四川大学硕士学位论文 p 分别为电流密度和电荷密度，离子不动时 j = 一p t l v p = z e n ，一e n( 1 1 6 ) d 为电子密度，它满足连续性方程 娶+ 弓n ；= 0 ( 卜1 7 ) 直接计算，不难证明电子能量方程为： 鲁b c 2 小一。；罾 ( 1 _ 1 8 ) 引入归一化量口= e a m c 2 ，妒= e 矿l m c2 ( 以后将省略“，”) ，“= p c 场方程 变为 卜鲁户= k p 2 去可 v ! 矿= k 。扣一z n 。j n o ( 卜1 9 ) 分= ( 警 z 以，珊，- 1 ，”。无量纲化空间、时间和数密度，方程变为 ( v 2 - 甜卸+ 昙可 v 2 = 0 一z n ，) ( 卜2 1 ) 相应地，令：= ；m c ，则( 1 - 1 1 ) 式成为 坐：勃一再+ 旦二 o t 。 o t 弓：弓仁) ( 1 - 2 2 ) 如果n 。取为激光临界密度成为n 。，k 。，激光波矢和频率。在线极化激光场中 四川大学碗士学位论文 的电子，由于l o r e n t z 力，不仅有横向运动，而且有纵向运动。但在圆极化场 中只有横向运动，因为l o r e n t z 力的纵向分量 x j ) l = v ，。c 9 k a ，+ v z 昙彳： = 磊e ，。1 。6 ( a2 + a = 2 ) 线极化平面电磁波，a ：= 0 ，a ，zc o s 慨一s t ) ，圆极化时 a ，2 + 一，2 = a 2 c o s 慨一c o t ) + s i n2 慨一耐) 】= 爿2 ，其空间微商为零。 式。此时 ( 1 - 2 3 ) ，= 1 + 口2 = l + j 1 8 z ，2 2 7 7 ( 1 2 4 ) 其中i ，。是以1 0 ”w c m 2 为单位的激光强度，九。是以微米为单位的激光波长。对 于线极化激光 y = 1 + 口2 + p u 2 m2 c 2 ( 1 - 2 5 ) 按真空激光场强计算 d 2 a ) 2c o s 2 p ，口。2 = ，l8 五圳2 i 3 8 ( 卜2 6 ) 对于线极化平面波激光场中的单个电子( 或者非常稀薄的等离子体) ，横向运动 出( 卜1 2 ) 式决定( 如果初始成立) ，此时纵向电场为零，其纵向运动也存在解 析解。真空中的平面波仅依赖于变量占= z c t ，假设纵向动量和相对论因子也 只是这一变量的函数，方程( 卜1 3 ) 给出 寺驴_ ) = 0 ( 1 - 2 7 ) 选择初条件：占= 0 ，“：= 0 ，= 1 ，则“：= y 一1 ，代入( 卜2 5 ) 式，选择y = 1 + q2 2 。 1 3 激光在等离子体中的散射陆1 激光聚变实验中，激光在等离子体中传播，同时被吸收。等离子体中传播 的激光具有强烈的激光电场，很容易激发等离子体波。这些等离子体波的强电 场和振荡电流可能会产生快粒子( 如电子、离子) 或散射，从而降低激光靶耦 合效率。在临界面，激光电场可以直接激发等离子体振荡，这便是共振吸收。 发生在亚l 临界密度区即晕区的许多过程，将入射激光共振地衰变为两个子波即 参量不稳定性。 四川大学硕士学位论文 这些过程发生在由匹配条件决定的非均匀等离子体晕区中的局部区域，不 同的机制发生的区域有可能不同。所有不稳定性过程的发生必须满足能量和动 量匹配条件”。” 6 ) 0 = 功 ( 1 2 8 ) k 。= t ， ( 卜2 9 ) ， 棚。，k 。是入射激光的角频率和波矢，功，k ，是第j 个子波的角频率和波矢a 不稳定性发生的位置依赖于，k 与当地等离子体参数的关系。这两个匹配条件 等价于总的波能、总的波动量守恒，是决定每一种参量不稳定性耦合波方程存 在解的必要条件。激光等离子体中参量不稳定性主要有离子卢衰变( i a d i ) 、受 激喇曼散射( s r s ) 、受激布里渊散射( s b s ) 和双等离子体衰变( t p d ) 不稳定 性。下面分别对几种不稳定发生的区域、散射光谱、增长率和阀值条件进行讨 论。 1 3 1 受激布里渊散射( s s s ) 。“” 受激布里渊散射指的是入射光波衰变为离子声波和散射光波的一种参量衰 变不稳定性。s b s 是激光聚变研究特别关心的一个问题，因为它能将入射激光敞 射出等离子体，可能大幅度降低激光靶耦合效率 6 0 0 = 甜，+ 峨 ( 卜3 0 ) k o = k ；+ k f ( 卜3 1 ) 下标0 表示入射激光，下标s 表示散射光，下标i 表示离声波。由等离子体中 电磁波、声波的色散关系有： 。2 = ? + 七0 2 c 2 ( 1 3 2 ) 珊，2 = 。2 + ；2 c 2 ( 1 3 3 ) t q = k i e ( 卜3 4 ) 由于声波频率远小于电磁波的频率由( 卜3 0 ) 有 四川人学硕士学位论文 j 0 因此檄光能量的大部分被散射光带走。 区。代入( 卜3 1 ) ，( 卜3 3 ) 式得k 。= k o , 。 k o = k l = f c ， = 一致) e = ( d o 。一d o p e ) e ( 1 3 5 ) t = 0 是s b s 可能发生的最高密度 - 。又因为 ( 1 - 3 6 ) ( 1 3 6 ) 1 弋八( 卜3 2 ) 碉 0 ) 0 2 嗨z + 虹# c z ( 1 - 3 7 ) ( 卜3 7 ) 式两边同除：，并注意到_ 了d o p e ：生 针一厨导= t m s s ， 由( 卜3 8 ) 可求得 生：f 蠼 2 ( 1 - 3 9 ) h 。1 + c2 c 2j 激光的光速c 远大于声速c 。，可见s b $ 可能发生的最高密度区在临界面n 。 附近。也就是说s b s 在整个亚临界密度区均可能发生。0 3 5 1 9 m 激光的角频率 魄为5 3 7 x 1 0 “r a d s ，而离子声波的频率不超过i 4 x 1 0 “r a d s ，两者相差近4 0 0 倍。由( 卜3 0 ) 可以推得散射光谱范围。 。= 。一i ( 1 4 0 ) 以= 2 z c 国。 = 2 刀c 7。一-)(1-41) = 凡0 一q d o 。) z 厶( 1 + q 0 ) 。) 散射光与入射激光的波长差五为 酗门大学项：j 学位论文 乃一九“厶，o j ( 卜4 2 ) 由此可见s b s 产生的散射光与入射激光相比发生红移，对0 3 5 1 斗m 激光打 靶，散射光红移量约为入射激光波长的四千分之一左右，即约0 i n m 的红移量。 激光产生的等离子体具有很高的温度和密度，内部压力极高，等离子体向外迅 速膨胀，s b s 产生区域流体运动的速度可能会达到i 0 7 c m s 的量级，等离子体流 动的速度接近甚至超过声速，离子声波可能发生显著的多普勒移动，因此离子 声色散关系的完整表达式为 。= 。“+ e ( 卜4 3 ) 式中群是等离子体流动的速度。由波矢匹配条件容易看出后向受激布里渊散射 产生的离子声波与入射激光的方向一致，当激光垂直作用于苹巴面时，产生的等 离子体运动方向与入射激光传播方向相反，( 1 4 3 ) 式中的t “为负，而，就是 入射激光与散射光的频率之差，多普勒效应使散射光谱发生蓝移，此时测到的 散射光谱可能发生蓝移。流体速度小于声速时，观测到的光谱卅可能发生红移。 运用双流体方程和麦克斯韦方程，容易得到描述这种不稳定性的耦合波方 程。对耦合波方程作傅立叶分析就可以得到色散关系1 出2 一七2 e2 = t k 2 y o s 2 ( ) p 1 2 i 罚：二i 确1 + z i 南 c 一a j ， d ( ( 0 ，尼) = ! 一0 ) 。2 一k 2 c 2 。k 是离子声波的频率和波数，出，：f 竺翌生l 是离子等离子体波的频率 m j ，m ，是离子质量，j 是平均电离度。1 l “， 由上面的色散关系，可以得到s b s 的增长率，考虑直接背向散射， 国= 缸，+ i 7 代入色散关系( 卜4 4 ) ，仅保留红移项，最后得到离子声波的波数和增长率“。1 。 ，磁。一等睾 m y ： 华丝( 1 - 4 6 ) ?4 0 k ps c5 心川大学颤：学位论文 等离子体中存在使波衰减的机制。电子一离子的碰撞引起散射光波的衰减， l a n d a u 阻尼使离子声波衰减。设两子波的衰减率分别是y ，和弘那么不稳定性增 长率v 必须克服两子波的衰减才能产生增长，即闽值条件 y p l y 2 o5 ( 卜4 7 ) 实验室内产生均匀等离子体几乎是不可能的。激光等离子体的密度，温度 以及流体的速度都具有一定的梯度，有时梯度甚至非常陡峭。三波作用发生共 振需要满足匹配条件，在满足匹配条件的空间区域才能产生同样频率和波矢的 受激布里渊散射。梯度很大时，满足匹配体条件的共振区域将很窄，波的能量 容易传出共振区形成耗散。这种阻尼机制可以用下面的等效阻尼率进行描述“4 1 乃= 吃，l ( 卜4 8 ) v 。n 是第j 个子波的群速度和有效阻尼率。l 是共振区宽度。一维情况下， l 可出三波波数失配量的空间导数给出 3 去 尼。= 导( 。一l k 2 ) ( l 一4 9 ) 激光等离子体中主要的耗散机制是三波共振空间失配引起波能传出共振区 域形成的。这种理论称之为对流理论。等离子体中的这种机制有利于抑制受激 布里渊散射。文献 1 i 中给出了由这种机制所决定的产生受激布罩渊散射的激 光阈值强度i 仁瓣7 x l o s 正文嚣j2 瓦丽叫瓦jf 1 _ 洲 ：丢生( 矽一) 3 可司矾丽1 “1 t l e 仲c m 扣怯警 _ l m s t ， v 是流体的运动速度。0 3 5 1 1 m 激光辐照a u 靶，电子温度 瓦，z 1 妇以lz5 0 0 p m ，在鲁2n 2 5 处，受激布里渊散射的阈值强度 四川火学硕+ 学位论文 i z 1 6 x l o “w c m 2 1 3 2 受激喇曼散射( s r s ) “+ 受激喇曼散射是另一种参量衰变不稳定性。入射激光光波共振地衰变为一 个散射光波和一个电子等离子体波称之为受激喇曼散射( s r s ) ，匹配条件是 g o 。= 由，+ 。 ( 1 5 2 ) k 。= k ，+ k 口。 ( 卜5 3 ) 。，。，分别是入射激光、散射光和电子等离子体波的角频率，而 一k o , 一k ，一k 。是它们对应的波矢。入射光波，散射光波属于电磁波一k o 落，1 如。) 应满足电磁波在等离子体中的色散关系。电子等离子体波属于静电波，i ，埘。 满足等离子体中静电波的色散关系。 2 = 埘。2 + k 0 2 c 2 q2 | 6 9 。：+ 女，2 c 2 g o 2 = 印p 。2 + 3 七w2 k 2 显然3 k 。，2 v 。2 和k 。2 0 因此有( o 。，o ) ， ( 1 - 5 2 ) 式得 o = 噱+ 出 。 2 m ” 薏= m z s 由( 卜5 7 ) 和( 卜5 6 ) 式有 0 s 彩p 。国印。0 5 0 ) o 由匹配条件得 ，= g o o 一珊。 ( 1 5 9 ) ( 1 - 5 8 ) 代入( 1 5 9 ) 得 ) ) ) ) ) 弘 丽 邓 卯 罨号 卜 卜 卜 卜 卜 ( ( ( ( ( 四川大学硕士学位论文 0 ，os 埘jso ) o 也就是说 2 凡 ，厶 ( 1 6 0 ) s r s 产生的散射光谱位于入射激光波长k 至2 倍入射激光波长之间。实验观测的 s r s 光谱一般远离入射激光的谱，高分辨的光谱测量很容易判断s r s 产生的光 谱，这一点与受激布里渊散射产生的光谱有很大的不同。 与s r s 类似，由电子离子等离子体波、散射光波、入射光波的三波耦合方 程，同样可以导出色散关系。3 小= 竿 南+ 南 d b ，乏) = 珊2 一甜，。2 一k2 c 2 ( 卜6 1 ) 其中，k 。是入射激光的频率和波数。，k 是电子等离子体波的频率和波 数。频率下移对应三波共振的最大增长率y 。令= 御。+ i y ，仅考虑背向散射有 y ：丝f 竺竺1 ( 1 6 2 ) 。 4 l 。一曲胛j 。+ 外科5 s 。， 散射光波的阻尼来源于电子一离子碰撞，电子等离子体波的阻尼机制是郎 道阻尼。在非均匀等离子体中重要的阻尼机制是波能传出共振区形成的。对流 理论给出的s r s 增长的闽值强度i 。为“” i t 2 砺4 x 地1 0 咿7j ( w c m 2 ) 当n 。 。触( 1 - 6 4 ) i 。2 j j ? i 蒜。矿c m 2 ) 当n 。2 s ”。( 1 - 6 5 ) l 。= ( 1 6 6 ) l 。是密度梯度标长。九，是入射激光波长。对0 3 5 1 p j n 激光辐照a u 靶，l 。 殴川人学硕士学位论文 5 0 0 肛m ，0 2 5 n 。处产生s r s 的闽值强度i 。2 5 1 0 ”w c m 2 ，四分之一临界面以下产 生s r s 的阈值强度l 一2 3 x l o 唧c m 2 。虽然0 2 5 n 。处s r s 的阈值强度低，但产生 区域毕竟有限，而且由于逆韧致吸收的竞争，能达到0 2 5 n 。处的激光强度较之 入射激光强度下降了许多，在0 2 5 n 。处产生的s r s 散射仅占整个s r s 散射极少 的一部分。四分之一以下是产生s r s 的主要区域，0 ，3 5 1 岬激光作用于金等离 子体产生s r s 要求的闽值强度很高，中等强度激光打靶，实验一般很难观测到 s r s 散射。 1 3 3 双等离子体衰变( t p d ) m 删 双等离子体衰变( 2 ( o 。) 不稳定性指的是入射光波共振地衰变为两个电子等 离子体波的一种不稳定性。频率和波矢匹配条件是 ( o 。，= c oi + c o z ( 1 6 7 ) 乏。：乏+ i ： ( 1 6 8 ) 元。是入射激光的频率和波矢，国。瞎) 和出：仁：) 是电子等离子体波的频率。波 矢) 。光波和电子等离子体波应满足等离子体中的色散关系： 国。2 = 出。2 + 七。2 c 2 ( 1 6 芎) 0 3 i2 = 珊。2 + 3 女l2 2 ( 1 7 0 ) 2 2 = 出。2 + 3 七2 2 圪2 ( 1 7 i ) 非相对应效应情况下，电子热速度远小于光速。匹配条件给出的幽! ， k ，k ：与入射激光的频率。，波数k 。同量级，因此( 卜7 0 ) 和( 卜7 1 ) 式中第二 项与第一项相比是一个小量，于是有国。z ，m ：* 珊，。代入频率匹配条件得 l 0 9 22 出m 。0 5 0 | ) o ( 卜7 2 ) 。0 2 5 n ， ( 卜7 3 ) 由此可见双等离子体衰变发生在四分之一临界面附近。( 卜7 2 ) 式清楚表明 等离子体频率是入射激光频率的一半。入射激光可以与这种电子等离子体波相 1 4 心川大学烦二学位论文 互作用产生两个边频寻甜。和粤。三个电子等离子体波相互作用也可以产生昙 的散射。探测三甜。散射光谱可以推测双等离子体衰变的产生。有关这方面的理 论还不成熟。由以上讨论可见双等离子体衰变产生的散射光谱般在三五和2 k 附近，2 k 散射光谱与r a m a n 光谱混在一起，实验观测的r a m a n 光谱不是纯的s r $ 光谱。这种不稳定性在一维情况下，不满足匹配条件。图1 3 是双等离子体衰 变的波矢图。 双等离子体衰变的匹配条件允许电子等离子体波有较宽的谱范围，这种电 子等离子体波与入射激光耦合产生的晏散射光谱范围也相应较宽。实际观察 到的光谱存在红移峰和蓝移峰。红移峰强，蓝移峰弱。双等离子体衰变产生的 妄鲫。散射是- , e e - 级过程，首先双等离子体衰变产生电子等离子体波，然后电 子等离子体波与入射光波作用产生丢，这种机制产生的；国。散射份额极低， 占入射激光能量不到百分之一。 y 萼【警l ，a ， 驴丁i 衙i 叫 v 。是电子在激光电场中的抖动速度，k 是电子等离子体波波矢。非均匀等 离子体中，t p d 的阀值强度是“” i 。：可凳( w c m z ) ( 1 - 7 5 ) h 2 瓦面砺弘” 1 叫 双等离子体衰变不稳定性的增长率v 为 图1 3 双等离子体衰变中两个子波波矢与入射激光波矢关系图 型业查兰堡兰丝堡兰 南早笔喾蝴等离子体中的醒椴标钆5 仉( 封，k ，号v 为单位的 电子温度。 、7 为了便于比较，表1 1 中列出了各种散射过程产生的区域、光谱、增长率 和阈值强度。 表1 1 激光散射机制 不稳定性 产生机制产生区域增i 乏率 阉值强_ c 茔( w c m 2 ) 光渚赶嘲 共振吸收o - 斗州”n p n + 05 l 、 k s b s a + s 十lk n c1k i v “ i l 。( p m ) k ( 邮i ) n 。n 。r 一= _ _ _ - o 鲁 4 k ，。c 。 s r s o ) 0 _ 一t n ( ( 02 5 n c ! k 卜生) ” ! ! ! ! ! ： k 2 h 4 e l o 一艇 l ( p r o | k ( t s m ) s r s _ + w + il i e 0 2 5 n c 5 1 0 2 k 叫3 ( 1 l m | 球3 ( p r o ) ：w 3 t p d 0 c 1 ) 砷w + ( o 砷t l c 0 2 5 n 。 生- f 垂= 监：! ：1 l n 抽产) ” t 唯一。i j l a d i o 1 + 州。n t n p 05 k 表中下标i ，e p w ，s ，o 分别表示离子声波、电子等离子体波、散射光波和 入射光波。l n ，l v 分别是密度梯度标长和流体速度梯度标长，以作扯m 单位。九。 是以岬作单位的入射激光波长，t 。是以k e y 作单位的电子温度。c 。是离子声速。 乩。是自由电子在激光电场中的抖动速度。 1 4 论文内容安排 第一章：绪论。 第二章：激光等离子体相互作用的基本概念，介绍了一些激光等离子体相 互作用中最基本的概念和基础理论 第三章：激光等离子体相互作用中自生磁场的研究，系统总结了自生磁场 的研究现状和意义。 第四章：高次谐波伴线结构法测量自生磁场实验原理，介绍了本文中实验 原理。 心川大学硕 ：学位论文 第五章：实验，从实验设置和渗断系统、实验条件及结果、实验分析和结 论三个方面阐述了自生磁场测量实验。 第六章：全文总结。 参考文献 d s t r i c k l a n da n dg m o u r o u o p t c o m m u n 5 6 ，2 1 9 ( 1 9 8 5 ) m d p e r r ya n dg m o u r o u ，s c i e n c e ，2 6 4 ，9 1 7 ( 1 9 9 4 ) m ，r o t he ta 1 p h y s r e v l e t t ，8 6 ，4 3 6 ( 2 0 0 1 ) r k o d a m ae la i n a t u y e ，4 1 2 ，7 9 8 ( 2 0 0 i ) c h e nx la n ds u d a nrn ，p h y s f l u i d s ，b 5 ( 4 ) ，1 3 3 6 ( 1 9 9 3 ) 刘慎业，惯性约束聚变乐山讲义，3 1 2 3 1 9 ( 2 0 0 3 ) w 儿1j a ml k r u e r ，p h y s f l u i d s ，b 3 ( 8 ) ，2 3 5 6 ( 1 9 9 1 ) em c a m p b e ll k e n e s t a w r o z m u s m r a m i n k e i t hs t m n r o s e b t o o a n i e p h y s k ，e t a 1 a 1 tb r f l u i d s b 4 ( 1 1 ) ，3 7 8 1 ( 1 9 9 2 ) a 1 ，p h y s f l u i d s ，b i ( 6 ) ，z 2 8 2 ( 1 9 8 9 ) p h y s f l u i d s b 4 ( 3 ) ，2 6 0 5 ( 1 9 9 2 ) p h a d n b l u t h ，a n d s e y r c 。j ，w a l s he ta 1 p h y s d m v i l l e n e u v ee ta 1 f l u i d s ，b 5 ( 1 0 ) ，3 7 4 8 ( 1 9 9 3 ) d e 9 3 0 8 0 6 7 ( 1 9 9 3 ) z s a g d e e v r e v l e t t ，p h y s r e v r p d r a k ee ta 1 ，p h y s ，f l u i d s ，3 p e y o n g ，p h y s f l u i d s ，b 5 ( 7 ) ，2 2 6 c s l i u ，e ta 1 ，p h y s f l u i d s ，9 1 ， r ，lb e r g e r ，e ta 1 ，p h y s ，f l u i d s ， j m e y e r ，p h y s f