脉冲激光-铜靶等离子体产生及其演化过程的瞬态光谱研究

应用时间分辨光谱技术, 研究了高能量纳秒脉冲激光作用下铜靶表面等离子体产生及演化的物理过程. 实验中相互作用区固-气-液三相对激光能量的吸收明显地反映于激光反射强度随时间的演化中, 使得靶表面物质形态的改变导致激光反射强度随时间呈双峰分布.同时, 随着激光峰值功率密度的增加, 靶面等离子体(气)-固-液相变发生的时间相应提前.因此, 这些瞬态性质是诊断激光-固体靶相互作用中靶面物质相变时间的有效方法.     

斜辐照激光等离子体辐射X光子特性

 在神光Ⅱ高功率激光装置上,实验研究了激光斜辐照形成的激光等离子体辐射X射线光子的特性及真空喷射热等离子体流的方向。采用针孔X射线相机测量了钕玻璃激光（基频1.053 μm）辐照铝靶形成的激光铝等离子体辐射的X射线光子的空间分布,并针对正入射和入射激光斜辐照情况下测得的X射线光子量及特性进行了分析和比较。结果发现：入射激光斜辐照固体平面靶产生的向真空喷射热等离子体流的方向是垂直靶面（即法线方向）;正入射和斜入射激光叠加驱动靶时,一定程度上能改善激光辐照的均匀性,但等离子体源辐射的X射线光子数并未发现显著地增加;当激光斜辐照与靶相互作用时,激光能量被等离子体吸收下降。     

短脉冲强激光驱动磁重联过程的靶后电势分布特征

超短超强激光因其极端的物理参数范围以及可用于研究相对论等离子体等特征,成为当前激光驱动磁重联物理的研究热点.通常采用两路激光与平面靶相互作用实现激光驱动磁重联,然而在实验诊断中,由于激光等离子体自身的复杂性导致很难辨别磁重联的物理特征.本文对两路短脉冲激光驱动平面靶磁重联进行了数值模拟,重点分析了靶后电势分布特征和磁重联之间的关系.模拟结果显示,靶后电势分布可以直接影响被加速离子在探测面上的空间分布,因此可用来直接诊断短脉冲激光驱动磁重联实验.     

激光与固体靶面烧蚀等离子体的能量耦合计算

 强激光辐照下固体靶表面迅速汽化产生靶蒸气等离子体,激光穿过等离子体区到达固体靶表面的过程就是激光束与等离子体的能量耦合与交换过程。采用具有五阶精度的WENO差分格式和简易等离子体状态方程模型对激光与等离子体相互作用的复杂物理过程进行了数值计算,分析了激光束能量在等离子体区中的吸收、屏蔽效应等动态耦合规律以及激光支持等离子体前驱冲击波传播。数值模拟结果表明：激光能量是支持靶面等离子体运动的唯一原因,能量屏蔽效应对激光与等离子体能量耦合有很大影响,通过控制激光脉冲宽度,可以合理调节屏蔽效应的影响。     

由强激光产生的烧蚀等离子体随时间演化的数值模拟

采用单流体模型描述由强激光产生的烧蚀等离子体,并用具有五阶精度的广义Godunov差分格式——加权本质无振荡格式对该模型进行离散化,考虑激光与等离子体相互作用和能量耦合,数值模拟强激光与固体靶相互作用时产生的烧蚀等离子体随时间演化的物理过程,给出数值模拟结果,并对其进行分析和讨论.数值模拟结果表明,激光能量在靶面等离子体中被强烈吸收,激光支持LSD(Laser Supported Detonation)波速度约为理想LSD波速度的一半.     

用于直接驱动的快速变焦新方案

在直接驱动方式的惯性约束聚变装置中, 实现中心点火对靶丸的辐照均匀性要求极高. 然而, 在激光脉冲持续时间内, 由于激光与靶丸的相互作用致使靶丸逐渐缩小, 从而导致辐照均匀性降低以及交叉光束能量转移等不利因素增强, 进而影响点火的进展. 为此, 提出了用于直接驱动的快速变焦新方案, 即利用特殊设计的电光晶体及电极结构, 对激光束附加一个实时、快速变化的球面波前, 以控制打靶激光束的聚焦位置和焦斑大小, 从而达到提高靶面辐照均匀性和抑制交叉光束能量转移的目的. 通过建立快速变焦的理论模型, 并基于激光与靶丸相互作用物理过程的分析, 对焦斑尺寸、附加球面波曲率半径等参数随时间的变化规律进行了数值模拟和分析. 结果表明, 本文提出的快速变焦方案可有效地实现对焦斑与靶丸半径比的实时控制, 且对空间滤波器滤波效果及三倍频转换效率并无明显影响.     

相对论圆偏振激光与固体靶作用产生高次谐波

超短超强激光与固体靶表面等离子体相互作用可以通过高次谐波的方式产生从极紫外到软X射线波段的相干辐射,获得飞秒甚至阿秒量级的超短脉冲,可用于观测原子或分子中的电子运动等超快动力学过程.本文实验研究了相对论圆偏振飞秒激光与固体靶相互作用的高次谐波产生过程,实验结果表明,在较大入射角下,圆偏振激光也可以有效地产生高次谐波辐射.通过预脉冲控制靶表面的预等离子体密度标长,发现高次谐波的产生效率随密度标长的增加而单调下降.进一步通过二维粒子模拟程序,分析了激光的偏振以及预等离子体密度标长对高次谐波产生的影响,很好地解释了实验观测结果.     

激光入射角对靶面方向超热电子发射的影响

实验研究了超短超强激光脉冲与薄膜靶相互作用中产生的超热电子角分布随激光入射角的变化.在靶面方向观测到一束方向性很好的高能超热电子.该高能超热电子束的电子数目随着激光入射角的增大而增大.对结果的分析表明，表面准静态磁场是导致表面电子产生的主要原因. 关键词： 超热电子 表面准静态磁场 超强激光脉冲与等离子体相互作用     

蒸汽羽等离子体对入射激光吸收的研究

继用高速摄影技术对自由振荡钕玻璃激光与Ly12铝靶相互作用产生的蒸汽羽的传播及其特性进行研究之后,又定量研究了它的吸收屏蔽效应。实验表明,在0.7～1.6×10~7W/cm^2的激光功率密度下,其光学厚度最高可达1.2。蒸汽羽等离子体对入射激光的吸收与辐照靶的功率密度成正比,在距靶面3mm处比9mm处吸收强。实验获得了吸收随序列尖峰脉冲时间的变化曲线。     

激光与固体靶相互作用中低密度预等离子体对高能电子产生的影响

 对线极化、圆极化的超短超强激光脉冲与靶前有一段低密度预等离子体的固体靶的相互作用进行了理论和粒子模拟研究。激光通过有质动力加速机制加速预等离子体中的电子，研究了电子获得的最大能量随激光强度和预等离子体密度的变化。当激光脉冲与靶直接作用时，靶中的电子由于J×B机制而得到加速，所获得的能量比预等离子体中电子低。研究表明，在超短超强激光脉冲与固体靶相互作用中，预等离子体的存在有利于高能电子的产生。     

蒸汽羽等离子体对入射激光吸收的研究

继用高速摄影技术对自由振荡钕玻璃激光与Ly12铝靶相互作用产生的蒸汽羽的传播及其特性进行研究之后,又定量研究了它的吸收屏蔽效应。实验表明,在0.7～1.6×10~7W/cm~2的激光功率密度下,其光学厚度最高可达1.2。蒸汽羽等离子体对入射激光的吸收与辐照靶的功率密度成正比,在距靶面3mm处比9mm处吸收强。实验获得了吸收随序列尖峰脉冲时间的变化曲线。     

激光等离子体能量角分布及吸收定标律

主要研究激光平面靶等离子体发射能量角分布及吸收定标律。实验利用高斯型1.06μm激光脉冲,其能量为2～50J,脉冲宽度为0.3～2.2ns,靶面平均辐照强度为1.8×1013～1.1x10~(15)W/cm~2,光束以25°角入射。实验采用了Au、Ag、Ti、Al和C_8H_8等厚靶。用等离子体卡计测量靶面吸收的激光能量。用指数函数拟合实验数据,给出了吸收效率分别作为激光强度、脉冲宽度和靶材料原子序数的函数的定标关系式。这些关系式定性地与逆轫致吸收的理论关系式相一致。     

利用单飞秒激光脉冲驱动类氖钛X射线激光的研究

提出了一种利用单飞秒激光脉冲驱动类氖钛X射线激光的物理方案.利用自相似方法研究了不同脉冲前沿的单飞秒激光辐照钛平板靶产生的类氖钛X射线激光等离子体的特性,得到了电子温度、电子密度和定标长度三者的定标律,讨论了给定输入参数下各定标律曲线的特性.研究表明,利用单个飞秒激光能够实现X射线激光的产生,而且脉冲前沿强度随时间增长平缓的飞秒激光有利于驱动X射线激光.本研究为实验上实现单飞秒激光脉冲驱动X射线激光提供了一种新的方案.     

薄膜锗靶等离子体参量诊断的实验研究

描述了对双脉冲辐照薄膜锗靶形成的等离子体参量诊断的实验研究。使用平晶谱仪和时间分辨ｘ射线晶体谱仪诊断等离子体参量，给出了等离子体的电子密度、电子温度及其时间演变过程。实验结果表明：双脉冲打靶比单脉冲打靶电子温度有较大幅度提高。诊断结果为双脉冲驱动薄膜靶高增益Ｘ射线激光实验选择最佳的实验条件提供了实验依据。     

高强度二倍频激光辐照银薄膜靶的烧蚀和X光辐射实验研究

激光聚变物理实验中,背光透视照相是靶丸内爆动力学过程观测的重要方法. Ag是一种重要的背光材料, 激光辐照产生的等离子体可以产生强L线辐射, 研究其烧蚀和辐射特性, 对提高内爆靶丸背光透视照相的图像质量具有十分重要的意义.在神光II装置上, 采用第九路输出的2 ns, ～ 5× 10¹⁴ W/cm², 526.5 nm激光均匀辐照Ag薄膜靶, 实验研究了其烧蚀特性, 获得了银薄膜靶在激光烧蚀驱动下的飞行轨迹和飞行速度的数据. 实验结果与一维辐射流体力学模拟结果相符. 火箭模型对实验数据进行拟合, 得到了Ag材料的质量烧蚀速率和烧蚀压的数据. 采用平面晶体谱仪和X射线二极管探测器阵列观测等离子体的辐射特性, 获得了Ag等离子体辐射光谱和L线转换效率, 实验结果对激光聚变内爆靶丸背光照相的实验设计具有重要的参考价值.     

超强激光脉冲作用下的Au等离子体L-X射线辐射测量

基于SILEX-Ⅰ激光器,利用单光子计数型电荷耦合器件,在超强超短脉冲激光与高纯度Au靶相互作用中,通过改变入射激光的能量,测量了不同激光功率密度下的Au等离子体L-X射线发射谱。实验结果表明:在超强超短脉冲激光作用下,Au等离子体L-X射线发射过程中由于高速电子存在,会诱发很强的热辐射和轫致辐射,并且Au等离子体特征L-X射线发射强度、热辐射和轫致辐射随激光功率密度增加而增强。     

纳秒激光等离子体相互作用过程中激光强度对微波辐射影响的研究

在强激光与等离子体的相互作用中,通常能够产生时间尺度长达百纳秒量级的微波辐射,形成的复杂电磁环境会干扰或损坏机械电子设备,并给物理过程的准确认识与表征带来困难.然而,目前对于微波辐射的产生机制的研究还不够系统和完善.本文通过系统地改变纳秒激光与等离子体作用过程中入射的激光能量以改变入射激光强度,发现微波辐射强度随激光强度非单调变化.在较低的激光强度下,辐射强度随激光强度的增加先增加后减小,辐射场时间波形呈现连续振荡的特征,辐射频谱包含低于和高于0.3 GHz两部分分量;在较高的激光强度下,辐射强度随激光强度的增加而增加,辐射场时间波形表现为数十纳秒的单极性辐射,辐射频谱主要包括0.3 GHz以下的分量.分析表明,导致微波波形和频谱差别的原因是辐射机制发生了变化.在较低的激光强度下,微波辐射由偶极辐射和靶上电子束向真空出射共同作用产生,其中偶极辐射占主导;在较高的激光强度下,微波辐射主要由靶上电子束向真空出射产生.研究结果对于理解纳秒激光与等离子体相互作用过程中的微波辐射机制具有比较重要的意义,同时也为借助微波辐射诊断激光与等离子体相互作用过程中的逃逸电子、靶面鞘层场等问题提供了参考.     

空间碎片典型材料激光烧蚀反喷羽流实验研究

建立了观测和记录不同激光入射角度烧蚀6061铝合金靶材等离子体反喷羽流特性的实验装置,对实验结果图像进行了处理,并对处理结果进行了数值拟合。拟合结果表明,激光辐照靶材后100ns内,等离子体反喷羽流大致分布区域为靶面外5mm×5mm。激光以不同角度入射时,等离子体反喷速度相对于靶面法线方向大致呈轴对称分布。当激光相对靶面法线方向小角度范围内入射时,激光烧蚀引起的冲量主要沿靶面法线方向,反喷羽流沿靶面法方向的速度为20~40km·s-1。激光斜入射时,反喷羽流沿靶面法线方向的速度要大于激光垂直入射的情况。高斯函数可以很好地描述等离子体反喷羽流速度分布。     

由激光等离子体细丝引起的二次谐波侧向空间分辨谱

本文从实验上,用窄频带和宽频带激光,在无预脉冲和有预脉冲两种情况下,辐照平面Al靶.在垂直入射激光方向观察到高光谱分辨(～0.2?)和空间分辨(～2μm)的二次谐波空间分辨谱.通过分析各种现象,基本上证明了在垂直入射激光方向的二次谐波辐射是由激光与等离子体细丝相互作用所引起的,而不是由平面波与等离子体相互作用引起的,理论和实验基本一致.     

靶与光斑尺寸对激光冲量影响的数值模拟

采用二维雷诺平均N-S方程,数值模拟研究了大气条件下短脉冲激光与固体靶相互作用所产生等离子体的动力学过程。采用k-ε两方程模型用于湍流的数值模拟,分别利用ROE格式和二阶中心格式对对流通量和粘性通量进行离散处理;用高斯-赛德尔隐式格式对方程进行时间推进求解。数值模拟给出了激光引发靶蒸气等离子体侧向膨胀、稀疏等二维流体动力学过程的物理图像,讨论了靶与光斑尺寸对脉冲激光冲量的影响。结果表明,不同宽度固体靶受到的激光冲量有很大差异,固体靶宽度越大,受到的激光冲量也越大。