超强飞秒激光等离子体通道研究范文

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《原子与分子物理学报》2016年第3期

摘要:

应用多光子非线性Compton散射模型、空间动态补偿模型、非线性薛定谔方程和数值模拟方法，研究了Compton散射对超强飞秒激光等离子体中通道的影响，提出了将Compton散射光作为形成等离子体通道的新机制，给出了超强飞秒激光脉冲在等离子体中传播和电子密度随时间变化的非线性修正方程，并进行了数值模拟．研究发现:散射使等离子体中电子密度峰值增大1个量级，半径增大1mm．激光最大功率密度被限制在1018W/m2以下，随传输距离增大缓慢衰减．传输初始阶段，单脉冲衰减能量较散射前增大2%，之后衰减较平缓．通过增加超强飞秒激光脉冲输入功率，能有效地增加电子密度峰值，有利于等离子体通道的形成．并对所的结论给出了初步物理解释．

关键词:

等离子体;超强飞秒激光;等离子体通道;电子密度峰值;自聚焦;非线性Compton散射

1引言

由于超强超短激光脉冲与空气作用产生的等离子体通道具有很强的导电特性［1］，在高压放电控制［2］、质子加速［3］、激光自聚焦和自成丝［4］、等离子体通道天线设计［5］等方面具有重要应用，因此已成为近几年来人们研究的热点［6－10］．目前，已提出等离子体通道形成机制的3个模型:运动焦点模型、自引导模型和空间动态补偿模型［11］．Theberge等［12，13］指出，一定条件下激光可延长等离子体通道寿命．王海涛等［14］指出，不同形式和注入时间的激光脉冲对高密度等离子体通道有较大影响．等［15］指出，相对论效应使等离子体中激光脉冲自聚焦效应减缓，Compton散射能加速自聚焦效应．刘勇等［16］指出，横等离激元与对离子等离子体非线性作用产生的坍塌将产生小尺度密度空穴．张宁等［17］指出，激光波长，单脉冲能量、脉宽和束腰半径等对等离子体通道有显著影响．郝东山［18］提出了将Compton散射光作为改变等离子体电子密度峰值的新机制．近期，等［19］指出，Compton散射是影响等离子体辐射阻尼和通道寿命的关键因素之一．应指出，在对超强激光等离子体通道演化的研究中，以上研究并未考虑非线性Compton散射因素．实验表明［20］:等离子体内光强达1016W/cm2量级时，非线性Compton散射开始显现．可见，该散射对等离子体通道的影响是不能忽略的．本文基于多光子非线性Compton散射模型、空间动态补偿模型、非线性薛定谔方程和数值模拟方法，讨论了Compton散射对等离子体通道演化的影响．

2理论分析

若激光脉冲与等离子体作用发生多光子非线性Compton散射(简称散射)，则散射光频为［19］η=|γ－γf|/(γ－1)为散射非弹性参量，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分别为电子散射前后洛仑兹因子、速度;θ为电子和光子运动方向夹角;θ'1和θ'为电子静止系中电子与散射光子运动方向夹角和光子散射角;N、c、m、h=2π别为与电子同时作用光子数、真空中光速、电子静质量、普朗克常数．入射光和散射光形成的耦合光在等离子体中传输时，散射光必然引起等离子体参数变化．耦合超强飞秒激光脉冲在等离子体中传播演化过程可用非线性薛定谔方程描述为式中，A和k及ΔA和Δk为入射激光场和波束及其扰动;α1、α2、α3及Δα1、Δα2、Δα3分别为衍射和色散等线性项展开系数及相应扰动;n0、Ui0n、n2和Δn2分别为线性折射率、特征分子能量、非线性折射率及其扰动;ωp=(4πq2n/m)1/2和Δωp=(4πq2Δn/m)1/2为等离子体频率及其扰动，n和ν及Δn和Δν为电子密度和碰撞频率及其相应扰动;χ、Q和ΔQ分别为线性极化率、无量纲拉曼振荡函数及其扰动;δn为等离子体密度扰动;式两端第二项为散射扰动项．对空气中传输激光，n0=(1+4πχ)1/2≈1，则χ=0．因散射效应主要使等离子体中非线性成分增大，故式(2)线性项及扰动可用经典模型取代［21］，即一阶导数系数为0，二阶导数项为kk'2A/c2t2+Δkk'2A/c2t2+(kΔk'2A/c2t2+kk'2ΔA/c2t2)，其中k'和Δk'为群速色散系数及其扰动．等式右端为非线性项及其扰动，包括Kerr效应、电子相对论效应、等离子体波、激光能损和分子受激拉曼散射等．可见，散射使使等离子体中线性成分略有增大．非线性显著增大．因A对传输方向z的二阶导数远小于一阶导数，故可得近似计算模型为式两端第二项为散射扰动项．对式(3)做柱坐标(r，φ，z)变换．设耦合激光为在空气中准直传输的高斯脉冲，且忽略其在φ方向的变化，则式(3)可写作其中A0=(2p0/πr20)1/2和ΔA0≈(2Δp0/πr20)1/2、r0和τc、p0和Δp0分别为散射前激光电场振幅及其扰动、耦合激光束腰半径和脉宽、功率及其扰动．多光子电离中电子数密度随时间的演化为式两端第二项为散射扰动项;μ和Δμ、K、nat分别为多光子电离引起的离焦效应系数及其扰动、光子数、空气中性分子密度．

3数值模拟结果及讨论

散射前后单脉冲输入能量与功率及扰动E0=p0τ0(π/2)1/2和ΔE0=(Δp0τ0+p0Δτ0)(π/2)1/2，发生自聚焦时耦合功率大于临界功率pcr≈(λ20+2λ0Δλ0)/2πn2．以紫外光为例进行数值模拟．选取激光脉冲参数:r0=3.1mm和Δr0=－0.1mm;τ0=130fs和Δτ0=－10fs;峰值功率密度及扰动为I0=4.5×1020W/m2和ΔI0=0.5×1020W/m2;波长及其扰动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;多光子电离中吸收光子数K=3;自聚焦临界功率及其扰动pcr0=0.12GW和Δpcr0=－0.039GW．电子密度径向分布随传输方向变化关系如图1所示．由图1知，中心轴上电子密度峰值在1024/m3量级，半径约为0.4mm．与散射前相比，密度峰值增大1个量级，半径增大1mm．这是由于散射使等离子体中的粒子碰撞频率增大，电子纵向动量(或速度)各向异性分布加剧，产生的自生磁场使电子纵向动量(或速度)增大的缘故．激光强度通量径向分布随传输距离的变化关系如图2所示．由图2知，与散射前相比，激光强度通量横向分布的宽度明显缩小，激光能量的横向成丝现象增强．这是由于散射使激光中的非线性成分明显增大，横等离激元与等离子体的非线性作用中形成的坍塌效应在小尺度密度空穴区域内产生了更强的电场，该电场的电场强度加速了等离子体中的非线性发展的缘故．不同传输距离处激光强度通量截面图如图3所示．由图3知，与散射前相比，激光能量较快地衰减，向两侧的分裂加剧．这是由于散射使等离子体中的电子密度发生了剧烈的变化，电子速度(或动量)的横向各向异性分布加剧，使横等离激元调制不稳定性加剧，从而导致横等离激元与等离子体非线性作用时的坍塌加剧的缘故．激光最大功率密度随传输距离变化关系如图4所示．由图4知，与散射前相比，最大功率密被限制在1018W/m2以下，随传输距离增大缓慢下降．这是由于散射使等离子体中有较多粒子发生了二级和三级电离，从而消耗了更多能量的缘故．单脉冲能量随传输距离变化关系如图5所示．由图5知，单脉冲能量传输初始阶段下降较快，之后下降较平缓，传输5米后，大约衰减了12%．与散射前相比，衰减能量约增加2%．这是因超强短脉冲激光在空气中传播的初始阶段就发生了非线性Compton散射，使局部空气迅速形成了等离子体，之后阶段形成等离子体几率大大减小的缘故。

4结论

本文基于多光子非线性Compton散射模型，研究了超强激光等离子体中激光能量变化对等离子体通道的影响．结果表明:散射使等离子体中电子密度峰值显著增大，自聚焦效应增强，激光最大功率密度随传输距离增大衰减较慢．采用超强激光脉冲在空气中能形成自聚焦传输，通过增加输入功率或能量，能有效增加电子密度峰值，有利于自聚焦和等离子体通道的形成，为今后等离子体通道的应用提供了一种简单易行的技术途径．

参考文献:

［3］［夏新仁，王守杰，金贤龙，等.新概念激光等离子体通道天线的研究［J］.中国电子科学院学报，2011，6(2):147］

［8］［禹定臣，郝晓飞，郝东山.Comp-ton散射下等离子体交叉相位调制不稳定性增益谱［J］.原子与分子物理学报，2013，30(1):167］

［9］［刘经天，郝东山.Compton散射下离子初始速度对等离子鞘层厚度的影响［J］.原子与分子物理学报，2014，31(3):443］

［10］［高海林，郝东山.超强激光照射三维时变等离子体散射新机制［J］.原子与分子物理学报，2014，31(5):759］

［13］［陈文，范承玉，王海涛，等.超短脉冲激光产生等离子体通道寿命研究［J］.强激光与粒子束，2013，25(4):813］

［14］［王海涛，范承玉，沈红，等．飞秒光丝中等离子体密度时间演化特征［J］.强激光与粒子束，2012，24(5):1024］

［15］［郝东山.Compton散射对短脉冲强激光在次临界等离子体中自聚焦的影响［J］.光学技术，2014，40(1):50］

［16］［刘勇，刘三秋.横等离激元与对等离子体的非线性作用［J］.核聚变与等离子体物理，2011，31(1):19］

［17］［张宁，金韬，邓圆.空气中激光等离子体通道的演变和控制［J］.强激光与粒子束，2010，22(8):1939］

［18］［郝东山.康普顿散射对飞秒光丝中等离子体密度时演特性的影响［J］.中国激光，2014，41(5):0505002］

［19］［郝东山.Compton散射对激光等离子体通道寿命的影响［J］.原子与分子物理学报，2015，32(1):125］

［20］［孔青，朱立俊，王加祥，等.电子在超强激光场中的动力学特性［J］.物理学报，1999，48(4):650］

作者:欧群雍 郝东山 单位:郑州工业应用技术学院信息工程学院