强场物理中超热电子能量沉积特性的实验研究

报道了在100 Tw超短脉冲掺钛蓝宝石激光装置上,完成的飞秒激光-固体靶相互作用中超热电子的能量沉积实验,获得了靶后激光传播方向超热电子的能谱、产额、注量和总能量.结果表明,超热电子的注量和总能量随靶厚的增加而减少,超热电子约80%的能量主要沉积在靶内的前10μm,分析其原因是由于静电场的影响所致.     

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。     

飞秒强激光产生沿靶表面出射高能超热电子束

在超短超强激光与固体薄膜靶相互作用研究中,实验上首次观测到了沿靶面方向发射的高能超热电子束.该电子束只有在等离子体电子密度标长较短的条件下才会出现.理论模拟表明,靶表面电磁场的约束作用是产生此电子束的主要原因.这一结果有助于加深对激光愤性约束聚变快点火实验中的锥靶物理过程的理解,并有潜在的应用前景.     

快点火超强激光等离子体相互作用研究

为研究惯性约束聚变（ＩＣＦ）快点火的可能性,对相对论参数范围内激光等离子体相互作用作了大力研究。用超强激光系统和“网络粒子数”（ＰＩＣ）模拟编码,研究了相对论激光自聚焦,超热电子、离子和中子产生。实验用具有１０５３ｎｍ激光波长、５０Ｊ能量和０．１～１ｐｓ脉宽的超强激光完成,激光强度为１０＾１９Ｓ／ｃｍ＾２。大多数激光批靶在具有１００ｕｍ等离子体标尺长度的等离子体条件下进行。在预等离子体内激光脉行为     

聚变激光器的大口径频率变换

为聚变应用的大型钕玻璃激光器向更短波长的频率转换,现在正受到很大的注意。理论预言，在短波长下有增加靶对激光束的吸收和更好地把其能量耦合到靶的优点，靶吸收激光能量，产生超热电子，它给燃料预加热。这就使得更难于达到为引燃所需要的高的燃料密度。因此，对于高增益靶就需要较大的靶和高的驱动能量。     

冲击点火:直接驱动激光惯性约束聚变方案

1引言 激光问世后不久,世界各国科学家即丌始考虑利用高功率激光压缩和点燃少量氖氖燃料的可能性.经过多年研究,人们已经认识到激光聚变可获得巨大的能量. 为了实现点火,人们先后提出了多种点火方案,其中,中心热斑点火(central hot spot ignition)和快点火(fast ignition)两种方案为大多数科学家所认可,先后开始相应的计划进行验证.中心热斑点火要求高内爆速度(350～400 km/s)和高驱动能量.相比较而言,快点火方案可在较低的输入能量条件下获得点火,对激光器和靶的性能要求也大幅降低.但快点火方案也存在一些需要解决的问题,如点火靶的对称性,粒子的产生和传输等,特别是快点火方案用于惯性聚变能电厂中时,从制靶、能量传送到清除残渣等一整套需要高重复运行的流程会相当复杂.     

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.     

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.     

飞秒脉冲激光等离子体产生的二次谐波及基波光谱特性的研究

超短脉冲激光与固体靶相互作用产生的高温高密等离子体中的物理过程是非常复杂的．在超短脉冲激光等离子体的研究中;二次谐波光谱特性的研究可以提供有关激光吸收机制、密度标量长度及超热电子产生的信息．因此对二次谐波的研究成为诊断激光等离子体相互作用的有力工具． 本文报告物理所光物理实验室的超短脉冲激光与固体把相互作用产生的二次谐波的研究、并通过基波及二次谐波的光谱特性、对等离子体的膨胀速度及等离子体温度的诊断． 实验所用的掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光系统输出脉宽 １５０ ｆｓ、能量为 ５ ｍＪ,波长 ８９０ ｎｍ　的激…     

高功率KrF激光性能改进及其应用

采用无阶梯诱导空间非相干技术,对6束角多路高功率KrF激光中一束激光束进行光束平滑,用前端振荡器双程放大自发辐射(ASE)作为部分相干源,此部分相干光经过4f像传递,经电子束抽运预、主放大器放大,聚焦在靶上,靶上能量30 J/40ns,靶斑300μm,分布不均匀性σ≤1.4%.此外,通常23ns前端单束类高斯型脉冲经主振荡功率放大(MOPA)后脉宽展宽为50ns,采用增益饱和开关技术,压缩脉宽经主放后得到30 J/25ns脉冲.用此单束30 J/25ns平滑光束辐照飞片,焦斑直径～300μm,采用双层飞片(50μm Kapton膜+13μm Al),单晶石英靶片,飞片飞行距离(空腔距)～160 μm,用条纹相机对飞片撞靶速度进行了测量,得到飞片速度～8 km/s,与1-D HYADES流体动力学模拟相符.计算了靶中击波压力可大于1 Mboar(100 GPa).用建立的钛宝石,KrF混合型台面紫外高强度超短脉冲(440fs)激光系统,靶面聚焦强度达到1017W/cm2.用此装置进行束靶作用超热电子研究,研制了180°电子磁谱仪,用其直接测量超热电子谱,得到超热电子温度～81 kev.并用此超短脉冲注入电子束抽运KrF预放大器与主放大器得到8 J,皮秒级超短脉冲.并研究了能量信噪比随主放输入增大而下降的规律.     

超短脉冲激光对无机硅材料的损伤

通过控制作用于材料表面的激光能量和脉冲数量,实验研究了800nm,50fs,1kHz激光作用下融石英玻璃和硅片的破坏机制和损伤规律,计算了材料的损伤阈值与脉冲能量以及脉冲数量的依赖关系,并采用简化的理论模型计算了熔石英玻璃材料的损伤阈值与激光脉宽以及光子能量之间的依赖关系。对这两种无机硅材料在飞秒脉冲作用后的微区结构改变进行了扫描电子显微镜(SEM)测试,研究了其形貌特征。结果表明,硅片是由缺陷中的导带电子作为种子电子引发雪崩电离导致材料损伤,而熔石英玻璃是由多光子电离激发出导带电子引发雪崩电离导致材料损伤。     

一种进行激光等离子体通道实验的设计

利用一束激光产生等离子体通道,进而使点火激光能顺利到达高密度区是快点火理论中实现点火的一个重要过程。提出了一种利用神光Ⅱ的二路装置产生通道的设计。该设计将其中一路长脉冲激光(350 ps,1.053μm)辐照靶箔产生等离子体,用另一路短脉冲激光(1 ps,1.053μm)在上述预等离子体中打通道,并将后者的一部分激光经分离和四倍频(0.263μm)后作探针光,采用Normaski型偏振干涉系统对通道等离子体电子密度分布进行干涉诊断测量的实验研究设计。     

激光点火过程的一维有限差分模拟

从激光点火的热机理出发,建立了激光点火过程的一维有限差分模型,并对B/KNO3/酚醛树脂点火药的激光点火特性进行了数值模拟。结果表明,随着入射激光能量水平、入射激光功率、入射激光能量密度、药剂激光吸收系数的减小,药剂的点火延迟时间延长 ;当入射激光能量水平接近点火能量阈值时,药剂表面温度的成长曲线出现双峰现象 ;点火功率阈值随着光束半径的增大而增大,随着脉冲宽度的增大而减小。模拟结果与实际激光点火过程的规律一致,与实验结果基本吻合。     

激光点火技术综述

综述了激光点火技术的原理、系统组成及最新进展.讨论了影响激光点火的因素.提出了一种小型化激光多点点火系统构想,将微机械光开关、微机械分光器等微电子机械系统器件引进到激光点火系统中,提高了激光点火系统的安全性,减小了体积.指出现阶段激光点火技术遇到的困难,未来研究工作应关注点火过程的理论研究及降低点火能量阈值的方法.     

双向四电子束泵浦KrF主放大器能量沉积

用三维电子输运Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ（ＭＣ）方法研究了双向四电子束泵浦ＫｒＦ准分子激光器ＭＯＰＡ系统中主放大器（Ｈ１Ｍ）的能量沉积空间分布。计入了Ｈｉｂａｃｈｉ结构和主膜的影响。对０．５ＭｅＶ的电子，泵浦方向能量沉积基本均匀，而在轴向，因为两窗口间的１４ｃｍ“死区”使得能量沉积呈“马鞍形”，峰谷比为２～３。给出了能量沉积的总量及能量沉积效率与电子束能的关系曲线，为Ｍａｒｘ发生器的二极管电压进行优化设计提供了依据。     

Energy loading effects in the scaling of atomic xenon lasers

The intrinsic power efficiency of the atomic xenon (5d→6p) infrared (1.73-3.65-μm) laser is sensitive to the rate of pumping due to electron collision mixing of the laser levels. Long-duration pumping at moderate power deposition may therefore result in higher energy efficiencies than pumping at higher powers. The consequences of high energy deposition (hundreds of joules per atmosphere) during long pumping pulses (hundreds of microseconds) on the intrinsic power and energy efficiency and optimum power deposition of the atomic xenon laser are examined. The dominant effect of high energy loading, gas heating, causes an increase in the electron collision mixing of the laser levels. The optimum power deposition for a given gas density therefore shifts to lower values with increasing gas temperature     

纳秒光纤激光诱导等离子体沉积铜的研究

为了实现玻璃表面的金属化，运用激光诱导等离子体沉积技术，选用廉价易维护且波长为1064nm的红外纳秒光纤激光和T2铜靶材，在透明材料普通硅酸盐玻璃表面直接沉积出了金属铜，并对其进行了光学显微镜和扫描电镜表征。结果表明，在一定的激光能量密度范围内（沉积阈值能量密度12.50J/cm2~激光器所能达到的最大能量密度27.13J/cm2），随着激光能量密度的增加，沉积在玻璃表面的铜颗粒数量增加；而在激光能量密度一定（27.13J/cm2）的条件下，若保持激光光斑的横向和纵向搭接率一致，当光斑搭接率不小于50%时，由于玻璃对激光的强烈吸收，导致铜沉积失败；当光斑搭接率在-20%~50%变化时，沉积在玻璃表面的铜颗粒数量呈现先增加后减小的变化趋势。激光诱导等离子体沉积技术是一种可实现透明衬底材料表面金属化的便捷技术。     

内燃机激光多点点火技术研究进展

稀薄燃烧能够提高内燃机的热效率并降低污染物的排放, 但稀薄燃烧的火焰传播速度慢且在高压下易出现局部淬火现象。激光诱导火花点火能够有效解决燃料在低当量比和高压下燃烧遇到的问题，此外激光点火能够实现多点点火从而缩短燃烧时间并增大燃烧室压力, 相较于传统的电火花塞点火技术具有很大优势。锥形腔、衍射透镜、空间光调制器和达曼光栅均已被用于实现多点激光诱导火花点火。归纳了多点激光诱导火花点火的几种技术途径，讨论了内燃机多点激光诱导火花点火的研究状况和最新成果。对实现多点激光诱导火花点火的几种方法进行了评价，并指出了每种方法在多点激光诱导火花点火中的优势和需要解决的问题。在此基础上，对内燃机激光多点点火技术的研究前景进行了展望。     

激光等离子体和烧蚀对含能材料的激光点火过程的影响

通过测试激光点火的延迟时间、等离子体电荷通量和等离子体对激光的吸收能力，研究了激光等离子体和烧蚀对激光点火过程的影响。实验采用的含能材料为B／KNO3(m(B)：m(KNO3)=40：60)，外加5％的酚醛树脂，激光器为脉冲宽度为680μs的Nd：YAG固体激光器。实验结果表明等离子体密度随激光能量的提高而增大，而且激光等离子体的电荷通量大于燃烧流的电荷通量。当激光能量密度低于某一临界值时，点火延迟时间随激光能量密度的提高而线性变短，然而激光能量密度超过该临界值后，激光点火延迟时间保持恒定。在实验条件下，激光等离子体几乎不吸收入射的激光能量，但是点火延迟时间的变化规律表明了烧蚀会阻碍激光能量向含能材料注入。