激光功率密度对自生磁场和电子热传导的影响

为了理解超强激光与等离子体相互作用中产生的自生磁场形成机制和电子热传导特性,采用相对论电磁粒子模拟程序,估算了不同激光功率密度下,在等离子体表面所形成的电磁不稳定性产生的自生磁场大小和空间分布,得到了超热电子和经典Spitzer-Harm理论描述的电子热流随激光功率密度的演化情形.结果表明,非Maxwell速度分布的等离子体,由于电子初始时刻的无规则热运动,在等离子体上激发电磁不稳定性,而不稳定性激发的强电磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量,同时对在激光有质动力推开电子时形成的超热电子能量输运产生抑制作用.这一研究结果对更好理解惯性约束核聚变快点火过程中自生磁场的产生、电子热传导等方面有帮助的.     

激光核聚变中自生磁场与热输运的粒子模拟

利用相对论电磁粒子模拟程序研究了超强激光与等离子体相互作用过程中产生的自生磁场和电子热输运特性。讨论了自生磁场产生机制和非线性饱和过程。给出了自生磁场的线性增长率和各向异性参数之间的函数关系,用Spitzer-Harm理论分析了电子热传导中能量的运输情况,观察到由激光的非等方加热引起的电子纵向加热现象。细致研究这些过程对更好的理解快点火物理中自生磁场的产生、超热电子热输运等过程有重要意义。     

超强激光与等离子体相互作用中的自生磁场及三维模拟

用3维粒子模拟程序对超热电子在等离子体靶表面中向前传输时所激发的电流密度,电场和磁场的发展过程进行模拟研究。数值模拟表明,在线性强激光作用下,由于电子初始时刻的无规则热运动,在等离子体临界表面上激发不稳定性,而不稳定性随时间发展和激光功率的进一步深入到等离子体内部,最终使等离子体表面处激发饱和自生磁场,饱和自生磁场对激光有质动力推开电子时所形成的高能电子运动产生抑制作用.通过该研究寻找相对论效应条件下的自生磁场,并为进一步开拓其在高能离子束的应用提供理论和技术上的指导。     

ICF快点火概念中超热电子的能量输运

快速点火是运用超短超强激光在常规聚变靶丸上打孔并利用其产生的超热电子内芯部输运能量来实现激光聚变点火.它将有可能大大降低对激光器能量及光束质量等方而的要求.利用超热电子的能量沉积模型.计算了在不同常现压缩驱动激光条件下.超短脉冲强激光产生的超热电子在靶丸中的能量沉积对快点火的影响.     

飞秒激光中镜向超热电子能谱的测量

报道了在20TW飞秒激光器上采用电子磁谱仪和γ射线谱仪探测器分别对激光-固体靶相互作用镜向产生的超热电子的能谱及其韧致辐射谱进行的测量。能谱测量结果显示：超热电子能谱呈类麦克斯韦分布,拟合的温度约为154keV,这与已知的温度定标率较好地吻合;韧致辐射谱拟合的温度约为141keV,如果考虑到电子的碰撞效应,二者的测量结果是一致的。这是由于几种加热机制共同作用的结果,其中占主导地位的加热机制是反射激光对电子的加热。     

强激光驱动锥口多层靶的超热电子输运特性

为了提升超热电子的准直输运效率,提出了锥口多层靶模型,并通过二维PIC(particle-in-cell)模拟手段研究了强激光与锥口多层靶相互作用过程中超热电子的产生和输运特性。研究结果表明,相比于无锥结构的多层靶,锥口多层靶中输运的超热电子数目更多、能量更高且空间分布也更加集中,发散角被控制在-38°～38°之间的超热电子能量约增加了0.6倍,锥口多层靶能够提升超热电子的准直输运效率。锥口多层靶中超热电子准直输运效率提升的原因主要有三个方面:激光从锥壁上拉出了大量超热电子、锥壁对激光的聚焦作用增强了激光有质动力以及锥顶后方产生了较强的自生磁场分布。本文建立的模型对于提升"快点火"中超热电子的束品质具有重要意义。     

超快激光与生物含水组织相互作用

研究了超快脉冲激光与生物组织相互作用的机理 ,建立了生物软组织中激光诱导光学击穿模型 ;结果表明 ,对于纳秒或亚纳秒脉冲激光 ,强吸收介质的热电子发射对电子雪崩电离过程有很大影响 ,等离子体光学击穿阈值随生物组织吸收的增加而降低 ;在激光脉宽为亚皮秒量级时 ,多光子电离成为光学击穿的主要机制 ,介质的击穿阈值几乎与线性吸收系数无关。在达到光学击穿阈值时 ,激光能量沉积在厚度约 1μm的薄层之内 ;随着激光能量显著超过击穿阈值 ,有效的激光透过深度减小。     

飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理分析

为了深入理解超短脉冲激光烧蚀金属的机理,特别是烧蚀过程中靶面电子发射带来的影响,本文分析了飞秒脉冲激光烧蚀金属的机理,并在此基础上建立了一维热传导双温模型,模型考虑了电子热导率、热容、电子-晶格耦合系数等参数随温度的变化,以及表面热电子发射和多光子电离导致靶面的能量损失。选择波长为 800 nm,FWHM为100 fs,峰值功率密度为1.2×1017 W/m2 的高斯型单脉冲激光辐照铜靶进行数值模拟。并对计算数据进行分析,结果表明:多光子电离所导致的电子发射比热电子发射要强,但是热电子发射持续的时间长;多光子电离导致的电子发射带走的靶面能量比较大,在分析飞秒烧蚀过程中不可忽略。     

飞秒激光辐照下金属薄膜材料的热力响应

考虑到金属材料热导率、弛豫时间、电子-晶格耦合系数等热力学参数随温度非线性变化因素的影响,运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,数值求解了飞秒激光辐照金属薄膜的超快热弹性模型,分析了飞秒激光辐照200nm铜膜时温度场和应力场的变化规律。结果表明：电子热导率和电子-晶格耦合系数对温度场变化有较大影响;在超快加热早期,热电子崩力在金属薄膜表面附近迅速达到峰值,后期急剧减小的热电子崩力和逐渐增大的晶格温度梯度共同决定了薄膜体系中应力场的变化。     

超强脉冲激光辐照固体靶背表面的光辐射

在超强脉冲激光与固体靶相互作用中,利用光学CCD相机和光学多道分析仪(OMA),分别在固体薄膜靶背表面法线方向测量了光辐射积分成像图案和光谱。测量结果显示,光辐射空间分布图案呈圆环状,而辐射区域有发散角、有光强分布,包含多种辐射成分;光辐射光谱在800nm附近出现尖峰,是激光的基频(ω0)波,这一现象归因于超热电子束在输运的过程中产生的微束团而引起的相干渡越辐射(CTR);如果考虑超热电子的产生和加热机制,共振吸收和真空加热对超热电子都有贡献,其中占主导地位的加热机制则是共振吸收对电子的加热。     

强场物理中超热电子的产生及输运

在100TW超短脉冲钛宝石激光装置上完成了飞秒激光-固体靶相互作用中超热电子的产生及输运特性的实验研究。获得了超热电子的能谱、产额、注量和总能量。结果表明,随着功率密度的增加,靶前法线方向的超热电子更容易产生;超热电子的注量和总能量随靶厚度的增加而减少。超热电子约80%的能量主要沉积在靶内的前10μm,分析表明,这主要是静电场的影响所致。     

Efficiency enhancement in a Cherenkov laser loaded with a Kerr-likemedium

Efficiency enhancement in energy conversion for a Cherenkov free elctron laser loaded with a Kerr-like medium is discussed with the aid of particle simulation. For the analysis of the problem, a two-dimensional model for the Cherenkov free electron laser is considered which is composed of a planar relativistic electron beam and a parallel plate waveguide one plate of which is loaded with a nonlinear dielectric sheet exhibiting a Kerr-like effect. To follow the growth of an electromagnetic wave and the decrease in the kinetic energy of the electron beam in the specified model of the Cherenkov free electron laser, a particular segment of the electron beam with the longitudinal length of one guide wavelength is picked out. In that segment, as it travels down the waveguide, the interaction between the electromagnetic wave and a group of electrons is analyzed with the use of the finite-difference time-domain (FDTD) method. The result of numerical simulation shows that the efficiency of energy transfer from the electron beam to the electromagnetic wave is greatly enhanced by the proper choice of the nonlinear parameter for a Kerr-like medium. The enhanced efficiency is due to the improved velocity matching between the electron beam and the electromagnetic wave, and to the self-focusing effect of a Kerr-like medium     

THE TRANSVERSAL GEOMETRIC EFFECTS IN A FREE ELECTRON LASER

The effects of a beam thickness and a conducting wall in a free electron laser with a linearlypolarized wiggler magnetic field and an axial magnetic field are investigated within the framework of fluid-Maxwell equations.The growth rate of free electron laser instability is obtained,in which the nonlinear bulkand surface current density are simultaneously considered.The numerical calculations indicate that the bulkcoupling is dominant.There is an optimum beam thickness and separation between the conducting walls forwhich the growth rate is maximum.     

自由电子激光器的横向几何效应

以具有轴向磁场和线偏振摆动器场的自由电子激光器为例研究了波导壁和电子束厚度对自由电子激光不稳定性的影响。用流体力学方法推得了辐射波(TE模)和TM模的耦合方程组,将解得的电磁场代入电子束表面的边界条件便得到色散关系和不稳定性的增长率。数值结果表明体耦合的贡献远大于面电流密度耦合的贡献。存在一个最佳厚度和波导壁距离,此时增长率为极大。     

电磁波泵浦的自由电子激光器

本文研究了电磁波泵浦的自由电子激光器。从跃变磁场结构出来的大半径迴旋环形电子束通过圆柱形波导与圆柱形波导的TE11模入射电磁波相作用。利用电子束的弗拉索夫分布函数理论和三维波导模的波动方程求得在康普顿区域中的散射波色散关系。通过数值分析,讨论了轴向引导磁场,电子束能量,电子迴旋比和电子束环的径向位置等与散射波频率和增长率的关系。     

超热电子能谱分布各向异性的实验研究

报道了100 TW超短脉冲钛宝石激光装置上飞秒激光-固体靶相互作用中超热电子的能谱测量,获得了各向异性分布的超热电子能谱.靶前激光反射方向超热电子能谱和靶前法线方向超热电子能谱类似,呈单温类Maxwell分布;而靶后激光传播方向超热电子能谱出现高能尾部;靶前法线方向超热电子的产额比靶后激光传播方向和靶前激光反射方向要高得多.对以上形成的原因进行了分析.     

Equations of motion for a free-electron laser with an electromagnetic pump field and an axial electrostatic field

The equations of motion for a free-electron laser (FEL) with an electromagnetic pump field and a static axial electric field are derived using a Hamiltonian formalism. Equations governing the energy transfer between the electron beam and each of the electromagnetic fields are given, and the phase shift for each of the electromagnetic fields is derived from a linearized Maxwell wave equation. The relation between the static axial electric field and the resonant phase is given. Laser gain and the fraction of the electron energy converted to photon energy are determined using a simplified resonant particle model. These results are compared to those of a more exact particle simulation code.