前沿物理讲座--浅析激光等离子体相互作用原理

浅析激光等离子体相互作用原理

一、摘要

超强激光脉冲与等离子体相互作用是近几年新兴的前沿学科,它在激光蒸发沉积、激光推进、新型的粒子加速器、超快高能X射线光源和“快点火”惯性约束聚变等方面，都有着广泛的应用前景。因此，激光等离子体相互作用的研究是十分必要的。

论文中我们阐述了激光等离子体的性质相互作用。通过建立简化的物理模型，即将部分电离的等离子体简化为类氢离子讨论了激光等离子体相互作用物理和超短超强激光等离子体相互作用。最后，我们根据得到的一些相关结论简单的描述了激光等离子体的一些应用。

关键词：激光等离子体

二、介绍

人类对等离子体的研究从气体放电开始。1879年,英国的Crookes首先发现气体放电管中的电离气体区别于固、液、气三态，将之称为“物质第四态”。1928年,美国的Tonks和Langmuir采用等离子体(Plasma)来描述这种新的物质形态。随后，Vlasov和Landau等人建立了等离子体的动力学描述,这也标志了等离子体物理学的正式建立。到了二十世纪五十年代，在受控热核聚变和空间技术发展的推动下，等离子体物理逐渐发展成熟，成为一个新的、独立的物理学分支。等离子体是一种由大量电子、离子等带电粒子和中性粒子(原子，分子，微粒等)组成的,并具有一定集体行为的、准中性的、非束缚态的宏观体系。与通常的固、液、气三态相比，等离子体的基本特征主要是“准电中性”和“集体行为”。

自1960年Maiman研制成功第一台红宝石激光器以来，激光技术的每一次发展都极大的拓展了物理学的研究领域。图1给出了激光强度随年代的增长及相关的物理学进展。

图1

激光等离子体物理,是随着超短超强激光脉冲技术发展而形成的一个新的分支学科。激光技术的每一次革命,都为激光与等离子体作用的研究开辟新的领域。随着激光强度的不断增强,激光等离子体物理经历了从线性响应到非线性光学,再到相对论的非线性作用的研究历程。在现有激光技术的推动下(强度S 1023VI//cm2,脉宽/S 量级),超短超强激光脉冲同等离子体的作用更是成为了当今物理学研究前沿的一个重要分支。

现代激光技术的发展,引发了人们研究超短超强激光脉冲同等离子体作用的浓厚兴趣。这一方面是出于探索自然物理规律特别是非线性问题的需要,另一方面则是源于激光等离子体作用可以用来充当各种光子、电子和离子源气由于激光的高能量密度,这些产生的粒子源具有更好的紧凑性和其它一些非常优秀的束流性质,如高亮度、低散射度、短脉冲等。而这样的粒子源存在很多新颖的实际应用,比如在离子束治疗癌症、生物照相、超快探测、快点火聚变等方面将会产生巨大的作用。目前,国际上激光等离子体物理的主要研究领域在如下几个方面：激光驱动的可控惯性约束核聚变,粒子桌面加速器,基于激光等离子体作用的电磁波辐射源研究,如X 射线源P 气阿秒脉冲,高次谐波和太赫兹辐射等。另外,利用超短脉冲激光在大气中传播形成的超长等离子通道来实现激光雷达和激光引雷等研究也得到了人们越来越多的关注。

三、激光等离子体相互作用原理

高功率激光束照射靶物质时,部分激光能量被吸收,导致靶物质被加热、电离而产生热等离子体,从而激光直接与等离子体相互作用。激光等离子体相互作用与激光参数、等离子体的材料特性和状态参数等密切相关,其中最具决定性因素的是激光强度人和等离子体密度,。激光强度(激光的聚焦功率密度)为：

L L E I S

τ= （1） 其中L E 是打到靶面的激光能量,S 是激光束辐照在靶上的面积(焦斑),r 是激光脉冲的时间宽度。激光强度也可以用电场来表示:

20012

L I c E ε= （2） 其中0ε是真空中的介电常数,c 为“光速。另一个常用来表示激光强度的物理量是激光场的无量纲化振幅002e eA a m c

=,其中0A 为激光矢势A 的幅值, e m 为电子质量, e 为电子电量,对于线极化激光有：

0A =（3）

圆极化激光有：

0A = （4）

其中0λ为激光波长。强度不同的激光发生相互作用的机理可能完全不同,强度超过1016瓦特的激光称为相对论激光,这是由于电子在激光电场中的高速振荡速

度。

激光在等离子体中传播时,等离子体吸收激光能量主要是通过两种途径:正常吸收和反常吸收来进行的。正常吸收又称为碰撞吸收、静电吸收或者逆韧致吸收,这种吸收机制的吸收源于等离子体中粒子的个体吸收效应,其吸收机理是:等离子体中的电子在激光电场中振颤而获得能量,振颤的高能电子通过与离子碰撞将激光能量转换为离子无规则运动能量(热能),光能变热能使得等离子体的温度升高。反常吸收又称为非碰撞吸收,包括共振吸收、受激Ralnan散射、受激布里渊散射、双等离子体衰变等相互作用过程,这种吸收机制的吸收源于等离子体中粒子的集体吸收效应。这些吸收过程的共同特点是：激光与等离子体相互作用时,先通过波一波(光波一静电波)相互作用,激光在等离子体中激发纵向静电波如电子朗缪尔波、离子声波等。等离子体中存在的这种波动过程是等离子体中粒子共同参与的一种集体运动过程,波动的载体就是等离子体,这种静电波不能离开其载体而存在。当然,等离子体中可能存在的这种集体波动需要合适的条件才能产生。等离子体纵向静电波如电子朗缪尔波、离子声波等在波动过程中会与粒子相互作用(波一粒相互作用),无疑会遭遇到阻尼，主要有碰撞阻尼和无碰撞阻尼(朗道阻尼)。阻尼的存在最终会使得静电波破裂解体,通过静电波的解体而将集体有规则的能量变为离子无规则的能量(热能),从而使得等离子体的温度升高。

四、超短超强激光等离子体相互作用

近年来,随着超短超强激光脉冲的迅猛发展和人们对“快点火”研究的深入,超短超强激光脉冲与高密度等离子体相互作用成为当前激光等离子体领域的一个研究热点。人们进行了大量实验和数值模拟研究,主要研究内容为：超短超强激光脉冲在大尺度等离子体中的传播特性；超短超强激光脉冲与等离子体相互作用产生的各种不稳定性；相对论和有质动力引起的激光自聚焦；高能电子的产生机制及输运特性；慢变自生磁场的产生机制和对激光传播、高能电子输运的影响。这些极端物态条件为许多领域的研究提供了非常理想的条件,如力口尸快点火、高能量密度物理、高强度X射线辐射源、粒子加速、天体物理、物质微观结构等领域。特别是在激光聚变研究中,超短超强激光脉冲的发展为实现激光聚变提供了全新的思路。从表1中的典型参数可以看出超短超强激光等离子相互作用所具有的一些新的特点：

(1) 以往常用的微扰理论不适用于研究超强激光等离子体相互作用，需要发展新的非微扰理论；

(2) 由于速度很高，电子速度可接近光速,相对论效应尤为重要；

(3) 由于超强的光压，必然会产生许多新的物理现象如穿孔效应；

(4) 由于激光脉冲足够短，靶物质在超强激光作用下的高电离率和惯性。