激光在光致等离子体里的传输研究

1、激光在光致等离子体里的传输研究摘要：超快超强激光在等离子体中传播时，会由于激光和等离子体的耦合发生各种复杂的相互作用，并且产生各种物理现象，例如自聚焦，自身相位调制，弯曲不稳定性以及各种受激散射等等。现代激光技术已经可以在焦点处产生高达1020w；cm2的强激光场；同时，等离子体通道技术也已经趋于成熟；而应用方面，激光加速器，ICF快点火都已经成为热点应用问题。这样，对超快超强激光在等离子体以及等离子体通道中的传播时产生的各种物理效应的研究变得越来越重要。Abstract：Whiletheultra-fastultra-intenselaserstravelinplasmas,therewil

2、lbekindsofinteractionsbecauseofthecouplingbetweenlaserandplasma.Anditwillproducemanyphysicalphenomenasuchasself-focusing,self-modulation,hose-instabilityandstimulatedscattering.Laserswithintensityupto1020Wcm2inthefocuscanbemadeoutwiththemodernlasertechnology.Theplasmachanneltechnologyhasbeenpresente

3、dandverified.Ontheotherhand,theapplicationsaslaser-plasmaaccelerator,ICFfastignitionbecomethehotspotresearchrecently.Thustheinvestigationofultrafastultra-intenselasertravelinginplasmaandplasmachannelbecomesmoreandmoreimportant.1. 等离子体等离子体是由电子、离子、中性粒子所组成非束缚态宏观体系，被称为第四类物质。当原子（组成物质基本单位）中电子克服原子核库仑力束缚时，带

4、正电荷原子核与带负电荷电子可以相互共存，宏观上整体表现为电中性，这种物质形态就称之为等离子体，或称超气态、电浆体。等离子体态物质大量存在于我们身边，并存在宇宙中99%重子成分物质（BaryonicContent）都是处于等离子体态说法，虽然无法证明该说法准确性，但其足以说明了等离子体物理重要性。在宇宙纪元初期，一切物质都是以等离子体态存在1。现在宇宙中，大量星体、星云及星际空间都充满着等离子体态物质。以太阳风形式，太阳系同样弥漫着等离子体，并由于地球磁场原因，这些等离子体态物质被限制在地球周围，最典型就是大气电离层等离子体。一般可以将等离子体根据来源和空间尺寸分为以下三种类型：人工等离子体、地

5、球等离子体和天体等离子体。2. 激光成丝产生等离子体1995年,Braun等人首次发现了超强激光稳定传输并产生等离子体通道。随后成丝开始被广泛的研究，不同功率的成丝，不同介质中的成丝，啁啾脉冲成丝以及外加电场成丝，等等一系列的研究2-5。产生机理：R.YChiao等人自导引模型6，移焦模型7，1999,Mlejnek等人提出动态补给模型即：飞秒激光脉冲前沿部分由于产生自聚焦，其光强越来越高从而电离空气分子形成等离子体；脉冲后沿和等离子体相互作用而产生散焦，而脉冲前沿部分由于多光子电离从而导致光强减弱。从而不再产生等离子体，伴随着等离子体的消失，自聚焦效应又重新占主导地位，光束又开始会聚，这个动

6、态过程一直持续，强激光脉冲的中心光强无数次地衰减，然后被补偿，从而导致飞秒激光脉冲可以保持很高的强度传输很长的距离而不发生色散，直到脉冲的峰值功率不足以使光束发生自聚焦8。利用声学诊断、荧光探测、电阻率测量和横断面成像等实验方法观察了激光成丝产生的等离子体现象。朱佳斌等发现外加高压可以提高成丝产生的等离子体通道的寿命9。张杰用多激光脉冲的方法产生的等离子体寿命有显著的增加10。3. 激光和等离子体相互作用自从第一台红宝石激光器问世以来，各种类型、各种波长激光器相继被研制出来，并被广泛地应用于通信传输、遥感探测、医疗卫生、工业加工和国防等众多领域。随着激光技术不断发展，使得激光强度（比上世纪80

7、年代)提高了7个数量级。激光强度超过IO22Wcm2，激光电场达到1022vcm2，脉冲宽度达到飞秒量级强激光已经被报道，在如此强电场作用下，激光和物质相互作用必然会激发各种非线性效应，已经可以通过实验进行证实并加以应用。其中激光和等离子体相互作用一直是科研关注焦点，大量试验和理论工作围绕它进行展开，下面我们将根据激光和等离子体相互作用几点主要应用对其研究进展作简要说明。3.1. 快点火(FastIgnition,FI)1994年，Tabak等人首次提出利用超强激光脉冲启动点燃热核材料(氘氚燃料，DT)，从而给出"快点火”概念11。这个方案立刻引起广泛关注，因为它提供了利用激光和重离

8、子束来实现惯性约束核聚ICF)途径12，使惯性约束核聚变成为与磁约束核聚变(MCF)同样重要核能获取手段13。与标准聚焦冲击波中心点火不同，ICF是利用一束电场强度高于1019w'cm2激光光束加热部分预压缩DT材料10-30ps，可以将燃料边缘区域温度加热到6keV高温，从而实现燃料点火。3.2. 电磁辐射产生(RadiationGeneration)电磁辐射产生来源于带电粒子的加速过程。激光和等离子体相互作用会产生超高强度电磁场和高相对论能量带电粒子，由于带电粒子加速振荡，辐射出其它频率电磁波。而全波段电磁辐射光源能够在国家安全防卫、健康保健、甚至于文化保护(比如可以利用软X射线对

9、艺术作品进行探测)等多方面具有巨大应用价值，使得人们逐渐对激光等离子体电磁辐射产生极大兴趣和关注。3.2.1.X射线通过激光和等离子体相互作用产生X射线辐射是人们关注焦点之一。X射线对医药学、自然科学和工业技术带来不可估量革新和影响。虽然应用前景巨大，但是由于普通加速器尺寸和费用问题，现在世界上只有几台精细同步辐射设备。而利用激光等离子体相互作用也同样可以实现X射线产生。由于强激光所激发等离子体波，不仅能够加速电子，还可使电子发生扭动(WigglerTechnology)。在非线性机制影响下，X射线光束能够被激发，它具有空间相干性、发射源尺寸为微米量级、具有10-100keV光子能量、毫弧度发

10、散、飞秒量级脉冲宽度等物理性质。实验上已经证明，如果将100TW激光脉冲聚焦到气体中，能够得到空间尺寸为毫米量级X射线源，远远小于普通光源米量级尺寸，并且得到品质接近于三级同步辐射所能得到X射线情况。利用超声气体喷射等离子体或固体靶材与强激光相互作用，产生MeV光子能量X射线衍射研究，在理论和实验上都引起了科学工作者广泛兴趣14-16。3.2.2.高阶谐波产生(High-orderHarmonicGeneration)当高功率激光脉冲被相对论振荡等离子体表面反射，就会产生一个宽频、锁模、光子能量达到keV量级谐波光谱。这种相干高阶谐波产生来源于对爱因斯坦预测扩展理解，当光被一面以接近光速移动理

11、想镜面反射时，发射光会发生光频率上移。当强激光脉冲与陡峭真空-等离子体边界相互作用时，激光脉冲电场会充分耦合到等离子体表面。近几年，有关利用振荡等离子体表面产生高阶谐波，并通过此方法获得高强度阿秒激光脉冲研究成为国内外科学工作者关注焦点17-19。3.3激光尾流场加速(LaserWakefieldAcceleration)由于将电子加速到相对论能量是一件非常“昂贵”工作，因此下一代粒子加速器尺寸将会有几十甚至几百千米长，可能会耗费几百万美元高额费用。但是如果利用激光等离子体中产生超高电场(可以达到几百GV/m量级)加速电子，将会大大缩减器材尺寸和费用，在基础实验物理和技术应用领域都是非常具有发

12、展前景和应用价值。在激光等离子体中产生电场是普通加速器加速电场数千倍，就像冲浪选手从海波中获取能量一样，电子也能够从等离子体波中获取能量，进行加速并获得超高能量。强激光光束在等离子体中传播时，等离子体中电子会在激光有质动力(光压)作用下发生位移，在移动过程中会形成各种等离子体波，而这些等离子体波将会以接近光速速度在激光脉冲后面进行传播。对于足够大振荡幅度等离子体波，在等离子体中电子能够被等离子体波纵向电场俘获，在很短距离内，被加速到非常高能量。到目前为止，常见激光尾流场加速包括自调制激光尾流场加速(Self-modulatedLWFA,SM-LWFA)20和泡沫加速(BubbleAcceler

13、ation)21两种。接下来我们就对LWFA研究进展作简要介绍。1978年，Tajima和Dawson提出了尾流波概念，并首次利用一维PIC算法模拟尾流波对被俘获电子加速作用22。Dawson等人研究工作对波尾场加速领域产生巨大影响，对拍频波加速(BeatWaveAcceleration,BWA)、激光尾流场加速(LWFA)、光子加速(PhotonAcceleration,PA)早期发展作出巨大贡献。但是由于高功率激光技术限制，直到CPA技术应用在固体激光器上，LWFA才重新得到了人们关注23,24。理论方面，Bulanov,Berezhiani,Sprangle等人分别对LWFA一维非线性模

14、型进行了研究扩展25-28，Sprangle,Esarey等人利用二维非线性LWFA理论分析了激光脉冲自洽演变过程29,30。实验上，1993年，Hamster等人首次间接证明了LWFA机制中等离子体波存在31。之后，Marques和Siders等人分别利用探测脉冲和时间分辨频域干涉技术32,33，直接测量到等离子体波幅度并与理论结果一致。2002年，Kotaki等人在密度约为1018cm-3气体射流等离子体中观察到激发相干尾流波，其电场强度高达20GV/m34。2004年，Nature上相继发表了三篇利用实验证明LWFA产生机理和过程文章35-37，因此得到了广泛关注。2007年，Lu等人利

15、用三维非线性模型研究发现激光尾流波加速电子束可以获得GeV能量38。此后利用频域全息技术，科学工作者能够对激光尾流波结构进行可视化表征。关于LWFA加速电子，Amiranoff等人利用3.5TW激光对入射电子进行加速，使其能量增加1.6MeV39。Kitagawa等人利用波长为1卩m激光激发等离子体波并观察等离子体加速40。通过激光尾流场加速得到高能量电子束在放射性照相技术、放射性同位素产生、核物理领域及核废料降解处理等方面有巨大潜在应用价值。4. 激光在等离子体中非线性传输特性研究上述激光和等离子体相互作用及应用，都涉及到激光在等离子体中传播这一基本问题，科研工作者都希望激光能够在等离子体中

16、保持高能量长距离传播，同时作为一种复杂结构介质，激光和等离子体相互作用引发各种非线性效应同样引起了广泛关注。研究激光在等离子体里传输的手段主要有理论分析、数值模拟和实验分析。4.1.理论分析2007年，刘明伟等人利用变分法研究激光强度对激光在非均匀等离子体中相对论聚焦传输特性影响41。Jha等人用变分法研究激光脉冲在等离子体通道中传输特性，着重考虑相对论非线性和群速度色散效应影响42。Upadhyay等人研究横向有质动力非线性对超短脉冲在等离子体通道中传播方式影响和对正弦激光脉冲在等离子体通道中传输进行了研究43,44。Jha等人研究啁啾高斯激光在抛物线型电子密度分布等离子体通道中传输的行为4

17、5。Jha等人利用SDE方法研究强激光光束在低密度磁等离子体中自聚焦效应46以及在轴向外加磁场、低密度冷等离子体中，左、右圆偏振激光光斑传播变化特征，并且得到了非线性自聚焦传输激光临界功率47°Hafizi等人用SDE方法研究相对论效应对激光在等离子体通道中传输特性影响48。2011年,Niknam等人利用微扰法研究强电磁光束在碰撞磁化等离子体中自聚焦传输特性，考虑相对论非线性结合有质动力非线性，将等离子体电子密度和速度作三阶微扰展开，发现等离子体碰撞频率和外加磁场能够加强激光光斑聚焦49oVarshney等人研究相对论机制下圆偏振激光在磁化等离子体中传输机制，其中等离子体磁场是由相

18、对论强激光脉冲产生50。上述研究分析较多复杂的非线性效应，但是缺乏对与等离子体通道效应的单独研究。因为激光在等离子体里传输，预等离子体通道效应是最重要的，因此有必要单独研究预等离子体通道对激光传输的影响。4.2数值模拟(Particle-in-cell)Naseri等人利用2DPIC方法模拟了激光脉冲在低密度等离子体传输时相对论自聚焦和自隧道效应，着重研究激光能量和等离子体电子密度影响51。Wang等人利用3DPIC模拟方法计算了相对论强度高斯短脉冲激光在等离子体中传输形状改变52。2012年，Friou等人利用2DPIC方法模拟了宽脉冲(大于10ps)、相对论强度激光在低密度等离子体中隧穿动

19、力学问题，他们提出了五种不同隧穿方式，并给出其分别对应激光和等离子体参数53。4.3. 实验分析1995年，Monot等人利用托马斯散射，首次在实验中观察到强激光脉冲在低密度等离子体中自隧道传播特性54。1997年，Krushelnick等人利用一束2TW、亚皮秒激光脉冲在氢气射流中形成等离子体隧道，将另一束激光脉冲随后入射，发现它能够在等离子体隧道中聚焦并长距离传播(20倍瑞利长度)55。1998年，Chen等人利用探测光谱仪记录了激光脉冲在射流等离子体中传输时不同时刻径向和轴向分布及等离子体电子密度分布56。2000年，Najmudin等人对强激光脉冲在低密度等离子体中传输进行了深入实验研

20、究，通过自散射图像发现了3.5mm强激光通道和电子加速57。2013年，谭超等人利用连续光在成丝产生的等离子体中传输演化得到环形光束58。由于激光在等离子体里传输时，很多效应共存，所以实验上很难单独分析某一效应的影响。5. 结论本文最要是针对激光成丝产生等离子体，以及激光在等离子体里的传输问题进行了探讨。由于激光在等离子体里传输存在很多中非线性效应，如相对论非线性，有质动力非线性，与等离子体通道，以及电子的电离、碰撞、吸收等等一系列的效应从实验上难单独分析某一个效应对激光传输的影响，我们认为只有系统的分析清楚某一个效应的影响才能更加清晰的分析激光在等离子体里的传输规律。参考文献1 Fitzpa

21、trickR.ThePhysicsofPlasmasM.SecondEdition.LuluPress,2008:72 A.Braun,G.Korn,X.Liu,D.Du,J.Squier,andG.Mourou,Self-channelingofhigh-peak-powerfemtosecondlaserpulsesinairJ.Opt.Lett.20,73(1995)3 J.Kasparian,R.Sauerbrey,S.L.Chin,Thecriticallaserintensityofself-guidedlightfilamentsinairJ.Appl.Phys.B71,877(

22、2000)4 S.A.Hosseini,Q.Luo,B.Ferland,W.Liu,S.L.Chin,O.G.Kosareva,N.A.Panov,N.Akozbek,andV.P.Kandidov,Phys.Rev.A70,033802(2004)5 L.Berge,S.Skupin,F.Lederer,G.Mejean,J.Yu,J.Kasparian,E.Salmon,J.P.Wolf,M.Rodriguez,L.Woste,R.Bourayou,andR.Sauerbrey,Phys.Rev.Lett.92,225002(2004)6 ChaioRY,GarmireEM,TownesC

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24、99,V01.4(7)9 JiabinZhu,ZhonggangJi,YunpeiDeng,JianshengLiu,RuxinLi,andZhizhanXu,LonglifetimeplasmachannelinairgeneratedbymultiplefemtosecondlaserpulsesandanexternalelectricalfieldJ.OPTICSEXPRESS14.11(2006)10 Z.Q.Hao,J.Zhang,Y.T.Li,X.Lu,X.H.Yuan,Z.Y.Zheng,Z.H.WangW.J.Ling,Z.Y.Wei.Appl.Phys.B80,627-63

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26、onPelletswithSuperintenseLasers:Concepts,Problems,andProspectivesJ.LaserPart.Beams,2004,22:5-1214 CourtoisC,LaFontaineACompant,LandoasO,LidoveG,MeotV,etal.EffectofPlasmaDensityScaleLengthonthePropertiesofBremsstrahlungX-raySourcesCreatedbyPicosecondLaserPulsesJ.Phys.Plasmas,2009,16:01310515 Courtois

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29、IsolatedAttosecondPulsesJ.Phys.Rev.Lett.,2012,108(23):23500319 RodelC,anderBruggeD,BierbachJ,YeungM,etal.HarmonicGenerationfromRelativisticPlasmaSurfacesinUltrasteepPlasmaDensityGradientsJ.Phys.Rev.Lett.,2012,109(12):12500220 WagnerR,ChenSY,MaksimchukA,UmstadterD.ElectronAccelerationbyaLaserWakefiel

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