相位反射产生的激光场空洞现象及其与激光等离子体参数相关性研究

理论研究和数值模拟研究表明激光在等离子体中诱导的等离子体密度调制可以起类似布拉格反射镜的作用，使得后面的入射光在等离子体平均密度远低于临界密度的区域就对入射光产生相位反射.相位反射的发生会影响激光在等离子体中的传播，例如激光在等离子体中相对传播时会出现激光场空洞现象.进一步的理论和数值模拟研究表明，相位反射持续发生的时间以及反射率的高低与等离子体的密度、等离子体区域的长度、激光强度以及脉宽等因素密切相关，这些都会对激光在等离子体中的传输产生影响. 关键词： 相位反射 密度调制 激光等离子体 粒子模拟     

周期量级超短激光脉冲在近临界密度等离子体中形成的光孤子

利用一维粒子模拟程序，观测到周期量级的超短激光脉冲在等离子体中可以以孤子形式传播.它在一定密度等离子体中以较高的群速度向前传播，并在到达等离子体与真空界面时发生反射和透射.当入射激光脉冲强度增大时，非线性调制效应使它产生较大的频率下移，致使光孤子传播速度变小.另外，对于同样光强下的几十个周期以上的光脉冲，它在等离子体中传播时形成的则是一连串低频的被捕获在等离子体中的光孤子. 关键词： 光孤子 超短激光脉冲 等离子体 粒子模拟     

等离子体密度对激光拉曼放大机理的影响

等离子体中的背向拉曼散射机理可以用来产生超短超强的激光脉冲. 本文采用粒子模拟方法模拟研究了等离子体密度对激光拉曼放大过程的影响. 研究发现, 过低的等离子体密度会导致等离子体波提前波破而降低能量转换效率; 而过高的等离子体密度又会导致其他不稳定性的快速增长, 限制作用距离和输出能量. 因此, 拉曼放大机理的最佳等离子体密度应处于等离子体波破的密度阈值附近, 可以获得最高的能量转换效率和能量输出. 另外, 空间频谱分析显示放大激光的强度饱和主要来自于自相位调制不稳定性的发展. 利用10¹³ W·cm^-2的抽运激光脉冲, 模拟证实拉曼放大机理可有效地将种子激光的强度从10¹³ W·cm^-2 放大到10¹⁷ W·cm^-2, 脉宽压缩到40 fs, 且能量转换效率达到58%.     

电子束产生大尺度等离子体过程的数值模拟研究

建立了一个四组分一维混合模型，对电子束注入大气产生大尺度等离子体的过程进行了数值模拟.结果表明了能量为140keV、流强为50mA/cm²的注入电子束，可以产生线度为0.5m，密度为10¹²cm^-3量级的大气环境下等离子体.电子束所伴随的空间电荷效应由于等离子体的产生会很快消失，不影响后续的等离子体产生过程.电子束注入流强主要影响产生等离子体的密度，而电子束能量则同时影响其空间线度和密度. 关键词： 电子束 碰撞 电离     

微波多普勒反射计数据分析的一种优化方法

结合对多普勒频谱的分析,提出一种基于双高斯拟合的轴对称-非对称谱(SAS)分析方法。在此方法下,功率谱主要由轴对称功率谱和非轴对称功率谱两部分组成。前者主要由等离子体截止层密度的扰动调制决定,后者主要由波数为k _⊥=2k₀sinθ 的湍流的极向密度扰动决定。在分析多普勒反射计的数据时,相较于常用的频谱重心(COG)分析方法和相位微分(δ-phase)法,SAS 谱分析不仅提高了求取多普勒频移的准确性,同时还可以获取等离子体中波数为k_⊥ 的极向湍流的密度扰动强度和截止层的密度扰动强度。     

交叉传播激光脉冲与等离子体相互作用产生的等离子体密度光栅

理论上研究了两束交叉传播的激光束与等离子体相互作用产生的电子和离子密度调制. 用一维粒子模拟程序(particle-in-cell,PIC)研究了两束激光脉冲产生的干涉场激发的等离子体布拉格光栅. 研究表明等离子体初始密度、脉冲强度和宽度共同影响等离子体布拉格光栅的演化. 光栅的密度峰值可以达到初始等离子体密度的8倍以上,并且可以维持几皮秒的时间. 等离子体布拉格光栅可以囚禁由受激拉曼散射形成的电磁孤子,从而形成准稳态的孤子结构,很大程度上降低了形成电磁孤子所要求的激光脉冲强度. 关键词： 等离子体布拉格光栅 电磁孤子 交叉传播激光束 粒子模拟     

Compton散射下太赫兹波段介质微腔光学特性

应用Compton散射模型、1维等离子体光子晶体模型和数值计算方法，研究太赫兹波段介质微腔光学特性，给出了系统反射率、反射相移和相位穿透深度修正方程和实验验证。结果表明：与散射前相比，系统中心波长左移15 ，这是因散射使等离子体层中电子与光子碰撞频率增大效应导致系统振荡频率增大的缘故；反射相移在截止区与波长呈准线性关系，中心波长处相对 有一定偏离，这是因散射使等离子体层中电子辐射阻尼增强效应导致系统振荡频率减小的缘故；禁带区相位穿透深度增大，这是因散射与入射光形成的耦合光与入射光在禁带区的相位不同，导致入射光禁带对于耦合光产生局部失效的缘故。谐振峰左移15 ，强度提高了22倍，这是因散射产生的等离子体频率和电子辐射阻尼增大效应使系统中心波长左移，透射几率增大，从而导致透射禁带两个谐振峰左移和谐振峰强度提高的缘故。     

有质动力和静电分离场对激光等离子体流体力学状态的影响

利用建立在欧拉坐标系上的一维电子_离子双流双温流体力学程序, 模拟了超短脉冲强激光 (1×1015W/cm2, 150fs)与线性密度梯度等离子体相互作用的流体力学过程. 模拟结果显示，入射激光与临界密度面的反射光叠加，在临界密度以下区域形成局域驻波， 产生的强有质动力在低密区驱动电子形成周期性密度结构——Bragg光栅，激光的反射被增 强. 临界密度处有质动力将等离子体分成向内和向外运动的两部分. 由于离子所受的有质动 力和热压强的梯度力远小于电子，体系产生了强静电分离场，离子的运动主要由该静电分离 场决定. 对双流双温模型和单流双温模型的模拟结果进行了比较. 当有质动力和热压强梯度 力较大时，两种模型对等离子体流体力学状态的描述有明显差异，单流双温模型无法描述此 时的流体力学状态. 关键词： 有质动力 密度调制 双流双温流体力学模型 单流模型     

反射型LCOS器件纯相位调制特性的研究

研究了反射型的LCOS显示器件的相位调制特性.采用2×2的Jones矩阵计算仿真，从理论上分析了它的相位调制特性，建立了一套测量振幅和相位特性的测试系统.它采用He-Ne激光为光源，用干涉仪观察波前相位，将LCOS显示器件作为液晶空间光调制器，用计算机和相关的电路系统驱动控制，并用CCD采样数据，测试了1024×768 LCOS显示器件的相位调制特性.理论和实验的一致性说明了在特定的入射、出射偏振光配制下，LCOS显示器件可以做纯相位调制器. 关键词： 空间光调制器 液晶显示器 反射型LCOS     

Compton散射对太赫兹波介质微腔光学特性影响

应用Compton散射模型、1维等离子体光子晶体模型和数值计算方法,研究太赫兹波段介质微腔光学特性,给出了系统反射率、反射相移和相位穿透深度修正方程和实验验证.结果表明:与散射前相比,分布式布拉格反射镜系统中心波长左移15μm,这是因散射使等离子体层中电子与光子碰撞频率增大效应导致系统振荡频率增大的缘故;反射相移在截止区与波长呈准线性关系,中心波长处相对π有一定偏离,这是因散射使等离子体层中电子辐射阻尼增强效应导致系统振荡频率减小的缘故;禁带区相位穿透深度增大,这是因散射与入射光形成的耦合光与入射光在禁带区的相位不同,导致入射光禁带对于耦合光产生局部失效的缘故.谐振峰左移15μm,强度提高了22倍,这是因散射产生的等离子体频率和电子辐射阻尼增大效应使系统中心波长左移,透射几率增大,从而导致透射禁带两个谐振峰左移和谐振峰强度提高的缘故.     

Demonstration of laser-frequency upshift by electron-density modulations in a plasma wakefield

In a plasma wake wave generated by a high power laser, modulations of the electron density take the shape of paraboloidal dense shells, moving almost at the speed of light. A counterpropagating laser pulse is partially reflected from the shells, acting as relativistic flying mirrors, producing a time-compressed frequency-multiplied pulse due to the double Doppler effect. The counterpropagating laser pulse reflection from the plasma wake wave accompanied by its frequency multiplication (with a factor from 50 to 114) was detected in our experiment.     

Theoretical Studies of the Laser Induced Plasma Profile Near the Critical Density Region for an Adiabatic Plasma Model

A theoretical study of the variation of density and flow velocity due to pondermotive force, near critical density region of a laser – produced plasma, obeying an adiabatic pressure law is reported. The ion-continuity, momentum and wave equations are solved in a steady state. The density and flow velocity as a function of incident laser intensity are calculated and plotted for both underdense and overdense regions for adiabatic exponent γ = 4/3, 5/3, 2. The velocity decreases and density increases in the overdense region and velocity increase and density decreases in the underdense region with the increase of larger power at sonic point. It is found that the velocity is subsonic in the overdense region and supersonic in the underdense region. The nature of variation is similar to the isothermal model.     

低密等离子体通道中的非共振激光直接加速

在低密等离子体通道中, 横向有质动力可以有效调制电子的横向振荡过程. 一方面, 横向有质动力可以向外推动电子, 增大电子横向振荡振幅, 减小失相率, 使电子获得能量增益; 另一方面, 横向有质动力也可以通过对失相率的非线性调制来降低失相率, 在电子横向振荡振幅很小的情况下导致激光直接加速. 横向有质动力调制的大小由等离子体密度、激光强度和束宽共同决定. 三维模型结果也证实可以通过参数放大实现激光直接加速, 弥补了准二维模型的局限性.     

Simulation of THz emission from laser interaction with plasmas

One-dimensional particle-in-cell (PIC) program is used to simulate the generation of high power terahertz (THz) emission from the interaction of an ultrashort intense laser pulse with underdense plasma. The spectra of THz radiation are discussed under different laser intensity, pulse width, incident angle and density scale length. High-amplitude electron plasma wave driven by a laser wakefield can produce powerful THz emission through linear mode conversion under certain conditions. With incident laser intensity of 10¹⁸ W/cm², the generated emission is computed to be of the order of several MV/cm field and tens of MW level power. The corresponding energy conversion efficiency is several ten thousandths, which is higher then the efficiency of other THz source and suitable for the studies of THz nonlinear physics.     

Particle simulation on electron acceleration process by the laser ponderomotive force in inhomogeneous underdense plasma layers

The mechanism of electron ponderomotive acceleration due to increasing group velocity of laser pulse in inhomogeneous underdense plasma layers is studied by two-dimensional relativistic parallel particle-in-cell code. The electrons within the laser pulse move with it and can be strongly accelerated ponderomotively when the duration of laser pulse is much shorter than the duration of optimum condition for acceleration in the wake. The extra energy gain can be attributed to the change of laser group velocity. More high energy electrons are generated in the plasma layer with descending density profile than that with ascending density profile. The process and character of electron acceleration in three kinds of underdense plasma layers are presented and compared.     

亚密度冷等离子体的低功率激光吸收特性分析

当电子密度远低于入射小功率激光所对应的临界密度时,冷等离子体对激光的吸收特性与高密度热等离子体将有很大的差别。在亚密度冷等离子体中,电子与中性粒子间的碰撞将占主导地位,对应的频率远大于电子-离子碰撞频率,这使得碰撞吸收本质发生了变化。亚密度等离子体的电子密度和碰撞频率均较小,它在单位长度传输路径内对常用的工作在可见光、红外波段内的小功率激光的碰撞吸收可以忽略不计。但是对于非正常吸收机制的影响尚需深入研究。     

Using the Steepened Plasma Profile and Wave Breaking Threshold in Laser‐Plasma Interaction

In this work we evaluate the interaction of high intense laser beam with a steepened density profile. During laser interaction with underdense plasma by freely expanding plasma regime, modification of density profile is possible. In this paper we have investigated the ultra short laser pulse interaction with nonisothermal and collisionless plasma. We consider self–focusing as an effective nonlinear phenomenon that tends to increase when the laser power is more than critical rate. By leading the expanded plasma to a preferred location near to critical density, laser reflection is obtained, so the density profile will be locally steepened. The electromagnetic fields are evaluated in this new profile. We show the amplitude and period of electrical field oscillation are increased by reducing the steepened scale length. Also our numerical results identify that by reducing the steepened scale length, the electrical field is increased to wave breaking threshold limit. This high gradient electrical field causes the effective beam loading during the wave breaking phenomenon. The wave breaking can be the initial point for other acceleration regime as cavity or channel guiding regime. (© 2008 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

激光等离子体相互作用中的两级质子加速（英文）北大核心CSCD

研究了激光辐射压驱动的两级质子加速的相关问题。当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时,在固体靶后部形成一个电子层-离子层组成的双层结构。在激光的不断推进下,双层结构在背景等离子体里以一定速度传播,可以看成运动在背景等离子体中的电场。这样,在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量。通过二维PIC模拟方法和理论分析研究了质子加速的相关问题。研究结果表明,被加速质子的最大能量达到20GeV。