快点火与超强激光等离子体相互作用问题
激光等离子体相互作用产生X射线
激光等离子体相互作用产生X射线X射线是核外电子产生的短波电磁辐射，波长范围一般在0.001nm 到1nm或者更长一点。
比0.1nm短的叫硬X射线，长的叫软X射线。
X射线源在许多研究方面是非常重要的，在包括X射线显微镜和光谱学、全息技术和纳米技术、生物成像和探测超快过程等工业和医疗方面的应用尤其如此。
现在同步辐射光源是最强烈的X射线源。
在同步辐射光源中，辐射的产生是由于一个由弯曲磁铁，磁性波或磁性震荡产生了相对论电子散射[1]。
在同步辐射光源中，辐射的产生是由于一个由弯曲磁铁，磁性波或磁性震荡产生了相对论电子散射。
这些源是宽带相干和长脉冲。
我们也可以利用高能激光脉冲去Thomson散射这些被传统方式加速的电子[2-5]。
另一方面，需要有超高亮度，连贯和短脉冲（飞秒或更短）的X 射线源来研究瞬态过程。
在加速器的家族中，几个大的自由电子激光器在未来10年内取得里程碑式的进展，并提供最亮的X射线源。
相对论性激光等离子体提供了一个飞秒级X射线产生的潜在补充渠道。
甚至在紧凑的项目中，x射线波长桌面自由电子（TT-XFEL）也存在[6]。
然而，人们必须显著提高被激光加速电子束的品质以使TT-XFEL成为现实。
本世纪起，相对论超强超短激光入射等离子体可产生X射线已经被广泛证实。
当一束短的相对论下的强激光脉冲在稀薄等离子体中传播。
其有质动力可以排开电子，形成电子空泡（Bubble）。
通过波破或其他注入方式，一些等离子体电子可以被限制并且被腔中的纵向场加速，这就是所谓的空泡电子加速模式。
由于它的固定的三维空间结构，该气泡具有横向场。
加速的相对论下的电子这些场中做横向的振动并且发射出短波射线（可到X 射线量级）。
另外一种方法是激光作用于固体靶产生的相对论高次谐波。
激光可以瞬间将固体物质转换成等离子体，激光与固体的相互作用是高度非线性的，导致谐波产生。
在高密度等离子体的表面，人们可以区别产生谐波的两个主要的不同机理。
当激光强度呈弱相对论性2182210/I W m cm λμ<时，谐波是由于所谓的相干弱辐射（CWE ）产生的。
激光惯性约束聚变(ICF)驱动器的研究进展和快点火概念平台论文
表 1 NIF 1/50 光束达标的重大进展
输出激光波长
单束输出能量
脉宽
输出能密度
输出功率密度
1053nm(1ω0) 525nm(2ω0) 351nm(3ω0)
26.5kJ 11.4kJ 10.4kJ
(？) (4ns) (4ns)
16.6J/cm2 7.1J/cm2 6.5J/cm2
? 1.72GW/cm2 1.63GW/cm2
2001 年，英国卢瑟福实验室的 P.Norreys 与日本大阪大学 R.P.Kodama 等合作[5]，在日本大阪 大学 Gekko-Ⅻ激光装置上利用金锥管导引百 TW 点火脉冲从实验上演示了快点火物理原理。2002 年 的实验[6](见图 2)把点火脉冲能量提升至近 1PW，获得超热电子吸收 40%，热核燃料区温度 8 百万至 1 千万度，中子产额由 104 增加到 107 的好结果。
燃料等离体高温条件给出了氘氚反应机率的下限，需要驱动器提供额外的用于加温点火燃烧 的激光能量。
最小ρr 乘积条件涉及反应生成的 3.5Mev 动能的α粒子在未反应燃料中的有效沉积吸收，是在 初始热核点火后把全部燃料加温到高反应温度，实现自持燃烧的基本条件。从最小ρr 乘积条件可 以推导出一发激光聚变打靶所需 DT 燃料最低质量的要求，从而限定了驱动器必需提供的最低激光能 量需求。
第五届全国光子学大会会议论文集 第一分册：特约报告
激光惯性约束聚变(ICF)驱动器的研究进展 和快点火概念平台
林尊琪
(中国科学院上海光学精密机械研究所) 摘 要：简要介绍了激光惯性约束核聚变(ICF)的工作模式、应用目标及不断对激光驱动器提出 的新技术要求。列举了国内外 ICF 驱动器研究工作若干重要的新进展。鉴于国际 ICF 前沿领域对 ICF 快点火研究工作不断加强和深化，而我国在用于快点火的高能拍瓦激光技术方面暂时处于落后状态， 本文提出发展我国高能拍瓦(PW,105W)激光器的一些建议，供参考。 关键词：激光惯性约束聚变、快点火、高能拍瓦激光、激光驱动器
以梦为马探核路 飞燕凌云逐金乌——记国防科技大学前沿交叉学科学院教授马燕云
封底人物Backcover Characters氢弹的爆炸。
除了重要的国防用途，核聚变更为重要的作用，在于为人类真正解决能源危机提供可能。
数十年来，全球科学家一直梦想着在实验室里实现太阳的聚变反应，以期获得取之不尽的清洁能源，而科学家实现聚变目标的装置也被称为“人造太阳”。
由于核聚变燃料可直接取自海水中富含的氘，如果每升海水中所蕴含的氘发生完全的聚变反应，就能产生相当于300升汽油燃烧时释放的能量。
以此推算，根据目前世界能源消耗水平和海水存量，聚变能可供人类使用100亿年。
“已知地球的寿命大约是50亿年，从这个角度来说的话，这种资源可以说是取之不尽、用之不竭的。
”马燕云解释道。
随之而来的问题便是，如何实现可彭先觉院士（中）与课题组合影控的核聚变，使之成为稳定的能源提供方式？关于可控核聚变的实现，苏联科学家N.巴索夫和中国科学家王淦昌先后独立提出了用激光照射在聚变燃料靶上实现受控热核聚变反应的构想，并开辟了实现受控热核聚变反应的新途径——激光核聚变。
所谓激光核聚变，就是使用高功率激光作为驱动器去照射一个直径为毫米量级的聚变燃料小球（即靶丸），在十几纳秒的时间里把聚变燃料加热到上亿摄氏度的高温，达到聚变点火条件并在燃料飞散之前依靠燃料的惯性使它们能够在高温高密的状态维持一段时间，使得聚变燃料发生充分的核反应，从而释放聚变能量的一种聚变方式。
在激光核聚变中，激光首先照射靶丸表面并使其迅速电离形成等离子体，激光的能量从等离子体临界密度层通过电子热传导向烧蚀层内传递并使烧蚀层不断产生等离子体，这些等离子体向外高速飞散并产生反作用力压缩靶丸，使靶丸内氘、氚燃料的密度和温度迅速增加并最终达到点火条件实现核聚变。
马燕云的博士论文主要研究当时激光核聚变过程中的一种新的点火方案——“快点火”方案，这也是国内第一篇系统研究“快点火”方案可行性的博士学位论文。
鉴于等离子体的复杂性，马燕云意识到，想要揭开等离子体的“神秘面纱”，得力的研究工具必不可少。
超强激光与等离子体靶相互作用中高能离子的定向发射
新疆大学学报 （ 自然科学版）
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＸｉｊ ｎ ｉｅ ｓｔ Ｎａ ｕ ａ ｃｅ ｃ ｉｉｎ） ｏ ｒａ ｎｉ ｇＵｎｖ ｒｉ ｏ ａ ｙ（ ｔ ｒｌＳ ｉｎ ｅＥｄｔ ｏ
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（ ．Ｃ ｌ ｇ Ｊ Ｐｈ ｓ ｓ ｃ ｎ ｅａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ Ｘｉｊ ｎ ｉｅｓ ｙ， ｕ ｉ ３ ０ ６ Ｉ ｏ ｌ ｅ ｙ ｉ ｉ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ ｙ， ｕｉ ｇ Ｕｎｖ ｒｉ Ｕｒ ｍｑ ，８ ０ ４ ； ｅ ｏ ｃＳ ｅ ａ ｔ ２ ａ ｕ ｔ ｅｈ ｏ ｇ ７ ｋ ｏＵｎｖ ｒｉ ｇ ｉ ｌ ｒ ｎ ｅ ｈ ｏ ｇ Ｋｏ ａ ｅ—ｈ ．Ｔ ｋ ｏ ８ — ５ ８ ａ ａ ） ．Ｆ ｃ ｌ ｏ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｙ・ ｓ ｉｅ ｓｙ ｏ Ａ ｒ ｕ ｔ ｅ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌ ｙ， ｇ ｎ ｉ ｉ ｏ ｙ ，１ ４ ８ ８ Ｊ ｐ ｎ ｙｆ ｏ ０ ｔ ｆ ｃ ｕ ａ ｏ ｓ
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Ｆｅ ｂ．， ００ ２ ８
超强激光与等离子体靶相互作用中高能离子的定向发射
艾 尔肯 ・ 克 尔 ， 不都 热 苏 力１ 扎 阿 ， ２
（．新 疆 大 学 物理 科 学 与技 术 学 院 ，新 疆 乌鲁 禾 齐 ８０ ４ ；２ １ ３ ０ ６ ．东 京 都 农工 大学 Ｉ 部 大 学 院 ， ： 学 东京 都 小 金 井 市 ， 京 １４ ０ １） 东 ８ － ０ ２
Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｓ：ｕｌｒ —ｎｔ ｎ ｅ ｌ ｓ ｒ ｐｕ ｓ ｄ ｔ ａ ｉ ｅ ｓ ａ ｅ ｌ ｅ；ｅ ｅｒ ｅｔｃ ｉ ｎ ｇ ｉ ｏｎ； ｐ ｒ ｉｌ ｉ ｅ ｌｓｍ ｕｌ ｔｏ ａ ｔｃｅ—ｎ ｃ ｌ ｉ ａ ｉｎ；ｓ ａ ａ ｇｅ ｌｂ ｔｒ ｔ
高强度激光与等离子体相互作用的研究
高强度激光与等离子体相互作用的研究近年来，随着科技的快速发展，高强度激光与等离子体相互作用的研究引起了广泛的关注。
高强度激光是一种以激光为媒介进行能量传递的技术，而等离子体则是由气体或固体被高能激光辐射后形成的电离态。
高强度激光与等离子体相互作用的研究有着重要的科学意义和应用价值。
通过对于这种相互作用的深入研究，我们可以揭示激光与等离子体的相互作用机理，探究光与物质的基本规律，进而推动激光技术的发展与创新。
同时，高强度激光与等离子体相互作用还具有广泛的应用前景，如聚变能源、高密度等离子体物理研究、激光等离子体加速器等。
关于高强度激光与等离子体相互作用的研究，目前主要存在以下几个方面的问题和挑战。
首先，激光与等离子体的相互作用机制尚不完全清楚。
高强度激光在与等离子体相互作用时会产生复杂的电磁场和粒子动力学过程，然而，这些过程和机制尚未被完全揭示。
要解决这个问题，需要通过理论研究、模拟实验以及实际观测等多种手段，深入探究激光与等离子体相互作用的微观机制。
其次，高强度激光与等离子体相互作用的过程非常复杂。
在激光与等离子体相互作用的过程中，会涉及多种物理现象，如电离、等离子体加热、激光与等离子体的相互作用等。
这些现象之间相互关联，相互影响。
因此，针对复杂的激光与等离子体相互作用过程，需要综合运用多种实验手段和理论方法，进行全面而深入的研究。
最后，高强度激光与等离子体相互作用的研究需要大量的资源和设备支持。
由于激光与等离子体相互作用的研究需要高能量、高功率的激光系统和复杂的等离子体产生设备，这些设备的建设和运行成本较高。
此外，在实验过程中还需要对激光和等离子体等进行精确控制和测量，这也对设备和技术要求较高。
因此，为了深入研究高强度激光与等离子体相互作用，需要投入大量的资源和设备。
综上所述，高强度激光与等离子体相互作用的研究具有重要的科学意义和应用价值，但也存在一些问题和挑战。
为了更好地开展这方面的研究，需要在各个方面加强合作与创新，提高研究的深度和广度。
超强激光一等离子体相互作用过程中的辐射阻尼效应
关 键 词 ： 辐射 阻 尼 效 应 ； 超 强激 光 ； 等离子体 ； 洛伦兹变换 ； 线极化激光 ； 圆 极 化 激 光
中图分类号 ： Ｏ ５ ３ ６ 文 献 标 志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ７ ８ ８ ／ ＨＰ Ｌ Ｐ Ｂ ２ ０ １ ３ ２ ５ ０ ６ ． １ ３ ７ ９
电磁 辐射 ， 从 而损失 电子运 动 的能量 ， 对 电子 的运 动产 生 阻尼作 用 ， 此 即辐射 阻尼 效应 。近 年来 ， 随着 激光 技术 的发 展 ， 电子 在超 强激 光场 中运 动 时的辐 射 阻尼效 应 逐 渐 引起 了人 们 的重 视 。例 如 ， ２ ０ ０ ２年 ， Ｚ ｈ ｉ ｄ ｋ ｏ ｖ等 人研 究 了超强激 光 与等 离子 体相 互作 用过 程 中 的辐 射 阻尼 效应 ， 结果 表 明在 高密 度等 离子 体 中 ， 辐射 阻尼 效应 表现 尤 为 突 出ｌ ＿ ５ ］ 。２ ０ １ ０年 ， Ｂ ｕ ｌ ａ ｎ ｏ ｖ等人 研究 了两束 激光相 向传播 而形 成 的 驻波 场 中的 辐射 阻 尼 效应 ， 结果表明， 圆极化 激光 场 中 的辐射 阻尼效 应 要 比线极 化场 中强得 多［ ６ 。 ］ 。 目前 对辐 射 阻尼效 应 的研究 ， 大 多是 在驻 波条 件
在 实验 室坐 标 系 中 ， 电子 的运 动既 受 电场力 作用 ， 也 受 到磁场 力 的作用 。为此 ， 通过 洛伦 兹变换 ， 将 问题 变 换 到 以激 光 群速 度 ７ ９ 沿 ｚ方 向运 动 的参考 系下 进行 讨论 。变换 后激 光 的频率 和波 数为
一
（ ｃ ｏ —ｋ ｖ ｇ ）
超 强 激 光一 等 离子 体 相 互 作 用 过 程 中的 辐射 阻尼效 应
等离子体强化超声速燃烧研究进展
等离子体强化超声速燃烧研究进展杨银军;窦志国;段立伟【摘要】超声速点火和燃烧是超燃冲压发动机研究中的一项关键技术.论文总结了国内外在碳氢燃料的等离子体点火助燃方面研究进展,重点列举了国外在裸电极直接点火和喷注等离子体火炬两种等离子体点火方式的实验与数值研究,以便于我国的科研工作者与国际同行开展国际合作与学术交流.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷),期】2013(026)003【总页数】3页(P15-17)【关键词】等离子体;点火;超声速燃烧【作者】杨银军;窦志国;段立伟【作者单位】装备学院激光推进及其应用国家重点实验室,北京101416;装备学院激光推进及其应用国家重点实验室,北京101416;装备学院激光推进及其应用国家重点实验室,北京101416【正文语种】中文【中图分类】V43高超声速飞行是21世纪航空航天技术新的制高点，是航空航天史上继发明飞机、突破声障飞行之后的第三个里程碑。
高超声速飞行技术的突破，将对国际战略格局、军事力量对比、科学技术、社会经济发展以及综合国力提升等产生重大和深远的影响[1]。
近年来，随着航空航天技术的不断发展,高超声速发动机技术已经成为世界各国的研究热点[2]。
该类发动机具有为飞行器提供高超声速飞行的能力，但也带来了另一难题：超声速燃烧。
在超声速燃烧过程中，燃气流经飞行器燃烧室的速度极快，导致其滞留时间非常短[1]。
实验研究结果表明，在毫秒量级以下的滞留时间内，只有氢气能够完全燃烧。
然而，由于氢气能量密度很低，为了实现高比冲推进，必须采用高能量密度的碳氢燃料。
随着来流马赫数的增大，燃料快速充分的混合和燃烧越来越困难，碳氢燃料的点火延迟时间通常要比氢气高一个量级，而其燃烧速度要比氢气低一个量级，从而不可能在低于毫秒量级的滞留时间内实现完全燃烧[3]。
提高燃料的燃烧效率，可以增加发动机的比冲。
比冲的增加，有助于减少燃料的携带量，增加飞行器有效载荷，减小飞行能耗，增大飞行器行程。
中国工程物理研究院研究生院-激光聚变研究中心 -研究方向简介-908
张小民*研究员、魏晓峰*研究员、郑万国*研究员、景峰*研究员、戴亚平*研究员、袁晓东 研究员、周海 研究员、胡东霞 研究员、张雄军 研究员、党钊 研究员、郭良福 研究员、张颖 研究员、冯斌 研究员、张锐 副研究员、张军伟 副研究员、邓学伟 副研究员、许党朋 副研究员
高功率激光物理与激光技术研究；大型固体激光系统的总体设计与总体集成技术研究；高功率激光脉冲产生、传输、放大、频率转换等过程物理规律及关键工程技术研究，高功率激光光束全域控制技术研究等。
凝聚态物理
070205
微纳制造
张林*研究员、杜凯*研究员、李波*研究员、吴卫东*研究员、邢丕峰*研究员、雷海乐*研究员、王朝阳*研究员、王雪敏*研究员、张占文 研究员、张继成 副研究员、黄燕华 高级工程师、周秀文 副研究员、李国 副研究员、王 凯 副研究员、王宗伟 副研究员、吴文荣 副研究员、李婧 副研究员
先进激光技术与应用
张小民*研究员、景峰*研究员、戴亚平*研究员、朱启华*研究员、粟敬钦*研究员、王建军*研究员、林傲祥*研究员、王逍*研究员、李明中 研究员、周逊 研究员、左言磊 副研究员、郑建刚 副研究员、邓颖 副研究员、李平 副研究员
超短超强激光脉冲产生、放大、传输等基础物理和技术研究；光纤波导激光技术、LD泵浦的固体激光技术、超宽光谱激光蒋晓东 研究员、王雪敏 研究员
该方向主要研究内容为：极端条件下的微纳米结构光电子功能材料设计与制备技术；高负载激光光学材料制备技术；跨尺度微纳结构光学元件及材料应用；新型高分子光学材料设计与应用；微纳米结构功能材料在强场中的应用方法与技术；高功率激光作用下的材料结构与特性。
光学工程
080300
该方向主要研究内容为：微纳精密加工技术，包括激光加工、离子束加工、光刻加工等；超精密压延技术；软流体制备技术；三维成型技术；微胶囊制备技术；微流体封装技术；微系统的装配技术（三维与多自由度空间装配技术、功能装配技术）；微纳检测技术。
激光等离子体相互作用的局域振荡电子加热机制
" " 第二个阶段， 电子空穴子 （ 密度凹陷） 和静电势阱形成， 电子在势阱中作纵向振荡时被加速。图 ) 是 )D *+ 时等离子体密度在 $ , - !. 处的纵向剖面图， 可以看出等离子体的密度分布。初始时， 电子密度和离子密度一 致， 但是经过一段时间后， 电子密度出现了凹陷， 形成空穴子。空穴子的形成是因为电子被激光场加速后产生 纵向运动， 某些区域的电子大量离开该区域。因为激光是高斯型的， 其强度在横向分布不均匀， 对电子的横向 作用也不相同， 因此所形成的空穴子在横向是不均匀的。对于离子来说， 由于质量比电子质量大得多， 巨大惯 性使得离子对激光的作用来不及做出响应， 基本上保持不动， 因此离子的密度基本上没有变化。电子形成空穴 子， 而离子密度不变， 由此产生了电荷分离和电荷分离势 （ 静电场） 。为了更清楚的显示出静电势阱的沿纵向 的分布， 我们给出 )D*+ 时静电场在 $ , - !. 处沿纵向的剖面分布， 见图 - 。可以看出， 静电场的结构和电荷分离 的情况是相吻合的。 " " 与空穴子在横向 （ $ 方向） 有一定分布相对应， 静电场在横向也有一定的分布， 图E 给出静电场在 !)$ 平面
$%&’ 9" :;.2-*%./ .0 1213*+.)*4*%3 4/5 2./&%*-5%/42 3-++1/* 图 9" 电场和电流随时间的演化
" " 从图 ! 中我们还可以看出， 坐标为 （ <’ = !> ， < $ > !> ） 的点为空间中静电场极大值之一所在的点， 为了进一步 研究该点电子加速的特征， 我们画出在该点的电场和电流随时间的演化图 （ 图 9） 。从图 9 中可以看出， 静电场 随着振荡电流的变化而变化。由于该点也是第二个空穴子所在的点， 在此电子密度越来越小， 而振荡电流却越 来越大， 说明该处电子的速度越来越大， 即说明电子在振荡的过程中不断获得能量； 但另一方面， 被加速的电子 在逃逸出该区域后， 其能量几乎耗尽， 于是堆积在空穴子附近， 而电子的能量因为导致电荷分离加剧而转化为 静电能， 这个过程将一直持续， 直到发生波破使静电场被破坏， 静电场通过波破把能量传给等离子体。由于这 里电子加速所具有的局域的、 振荡的特点， 我们称之为局域振荡电子加速机制。因为该过程能使电子被反复加 速， 因此其加热效率是很高的。图 # 是电子经过多次振荡后的相空间分布图， 对比图 # 和图 ? 可以看出， 电子 经过多次振荡加速后， 其动量值比单纯的 ! @ " 要大 ? 倍， 电子相对论动能最大值可以达到 ?> A1B， 等离子体 可以被加热到 7?> C1B， 见图 8 。从图 8 中我们还可看出， 此时等离子体是双温分布的， 其中一个是 = C1B， 另一 个是 7?> C1B。纵观整个等离子体的加热过程中， 电场势阱的形成起着非常重要的作用， 正是因为电场势阱使 得电子能被洛仑兹力反复加速， 激光的能量才能被充分地吸收。
超强激光与等离子体相互作用中的强场效应
超强激光与等离子体相互作用中的强场效应超强激光与等离子体相互作用中的强场效应激光技术的发展，使得激光在科学、医疗、军事等领域得到了广泛应用。
随着激光技术的不断进步，激光与物质相互作用中的强场效应越来越受到研究者们的重视。
其中，超强激光与等离子体相互作用中的强场效应尤为突出。
超强激光导致等离子体产生强场效应，是由于激光的高强度、短脉冲等特性所致。
当超强激光束入射到等离子体上时，激光的光子能量将被转换为等离子体中的电子能量，导致电子的强加速和高速运动。
在激光与等离子体相互作用中，强场效应主要表现在以下三个方面。
首先，强场效应导致等离子体中的电子发生强加速和高速旋转。
当激光束入射等离子体时，它与等离子体中的电子进行相互作用，导致电子在激光场中发生强加速和高速旋转。
这种强加速和高速旋转的电子会发生辐射过程，产生X射线和高能粒子等现象。
其次，强场效应导致等离子体中的离子发生电离和混沌效应。
电离是指激光束入射到等离子体中，导致部分原子或分子失去电子而形成离子。
在强场效应下，电离率急剧增加，导致等离子体内的离子数量迅速增加。
在此基础上，等离子体中的离子和电子相互作用，产生复杂的混沌效应。
最后，强场效应导致等离子体中的光子反应过程加速。
等离子体中的光子反应是指当激光束入射到等离子体时，部分电子在激光场中受到强烈作用而发生辐射，产生硬X射线和γ射线等高能量光子。
在强场效应的影响下，光子反应过程的速度加快，这种现象被称为“光子加速器”。
总之，超强激光与等离子体相互作用中的强场效应是当前研究的热点领域之一。
随着激光技术的不断发展，对强场效应的研究将对科学技术发展产生重要影响。
物理学研究生基础课程教学改革的探索与实践——以“高等电动力学”为例
物理学研究生基础课程教学改革的探索与实践——以“高等电动力学”为例邹德滨;刘可;银燕;余同普;邵福球【摘要】物理学研究生基础课程存在理论性强、抽象内容多、公式推导繁琐等特点,注重理论知识讲授的传统教学模式很难激起学生的学习兴趣,使学生保持长期的专注度.以我校“高等电动力学”课程为例,依托“基础理论教学与前沿研究、科研实践相融合”的模式,探索新型教学模式改革和优化教学效果的创新性方法.总结多年教学实践和经验体会,以期在教学内容选取、教学模式设计和考核形式优化上为高等院校物理学研究生基础课程的教学改革提供参考.【期刊名称】《高等教育研究学报》【年(卷),期】2019(042)001【总页数】6页(P102-107)【关键词】物理学研究生基础课程;高等电动力学;教学模式【作者】邹德滨;刘可;银燕;余同普;邵福球【作者单位】国防科技大学文理学院,湖南长沙410073;国防科技大学文理学院,湖南长沙410073;国防科技大学文理学院,湖南长沙410073;国防科技大学文理学院,湖南长沙410073;国防科技大学文理学院,湖南长沙410073【正文语种】中文【中图分类】G642一、引言物理学研究生的基础课程具有拓展学生学科理论和提升学生科研素养的作用。
这些课程通常理论性强、抽象内容多和公式推导繁琐，对学生数理基础和思维能力要求较高。
考虑到课程内容的深度和广度，传统上主要采取教师讲授、学生听讲和课后作业的教学模式。
这种模式过于注重知识的垂直灌输，以致学生兴趣不足、专注度不高且独立思考和自主学习时间过少。
此外，课程考核形式也比较单一，通常以期末闭卷笔试为主。
为进一步提升物理学研究生的培养质量，研究生基础课程的教学改革与创新非常必要。
如何将教学内容合理化、将抽象内容通俗化、将乏味问题风趣化、将考核评估多样化，是摆在研究生基础课程教学改革面前的难题。
国内外相关高校已开始对研究生基础课程的教学模式开展改革探索[1-4]，在教学过程中注重引导学生学习方法和思维的转变[5]，同时结合课程特点围绕教学内容和教学方法进行了初步改革尝试[6-7]。
强场物理新进展 ———强激光在等离子体中加速电子的新机制
* 它也是一种激光场直接加速机制* 在
等离子体中， 电子与两个相向传播的电磁场相互作 用的情况是普遍存在的* 在不均匀等离子体中， 当入 射光从高密度区域被部分反射， 低密度区的电子即 受到两个相向电磁波场的作用* 当强激光在低密度 等离子体中传播时， 一种叫受激拉曼背散射不稳定 产生的电磁波很快地增长起来， 并达到饱和* 因它的
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第二节激光与等离子体相互作用优质PPT
等离子体点燃时间
什么时候产生等离子体？
激光焊接中的光致等离子体
得出：环境压力降低时，工件表面的等离子体数量减少，熔深增加且达到饱和熔深。
1、袁钢等人(1988)归纳了国外的大量实验数据， 激光焊接中的光致等离子体
等离子体通过多种机制吸收在其中传播的激光能量，使自己的温度升高，电离度增大。
第二节激光与等离子体相互作用
回忆
激光等离子体的产生机理
l 热驱动：高功率激光作用于金属表面，产生蒸汽、 蒸汽易电离、自由电子吸收激光、进一步电离—高 功率+金属
l 光电离：1个或者数个短波长激光光子被环境气体 中的原子吸收，由于光子能量大于电离势—单光子： 紫外；多光子：波长小于1m
l 电子崩或级联电离：环境气体中的自由电子吸收激 光能量，运动速度加快发生非弹性碰撞，产生电子 崩，电子密度呈指数增长---环境气体+长波激光。
z：电离度
激光在等离子体中的传播方程
3、其它
l 密度和速度由流体力学方程给出：质量守恒、动量 守恒和能量守恒
tne,i (ne,iue,i)0
d d tu e n e 1 m e p e m e e(E u e B )e i(u e u i) d d tu i n i1 m i p i m 2 e i(E u i B ) n n e im m i ee i( u e u i)
l 群速度 包含了电子屏蔽、离子屏蔽，消除了积分的发散。
g 而激光焊接则不希望激光能量被等离子体吸收
2 21 /2 pe
传播、吸收、散射、折射
l 相速度 v /k c/(1 /) 短波长激光能够大大提高激光逆韧致吸收效率，由于集体效应的影响，即使波长再短，吸收效率也不会达到1
激光等离子体加速机制研究综述
激光等离子体加速机制研究综述1 研究现状随着激光技术的发展，激光强度不断增强，脉宽不断缩短，对激光等离子体相互作用的研究开辟出了许多新的领域。
激光与等离子体相互作用与激光的强度、波长、脉宽，等离子体状态参数（最主要是密度）密切相关。
随着激光强度变大，开始是线性响应，然后随着激光不断增强，非线性效应和相对论效应开始占主导。
当强度超过1018W/cm2电子的相对论效应必须考虑，加剧了理论研究难度但也催生了更多的物理现象产生。
比如非线性波跛、超高能粒子产生、相对论孤子和涡旋。
而根据等离子体的密度不同，激光与等离子体作用可以分为稀薄等离子体（同气体靶作用）和稠密等离子体（同液、固体作用）。
对于1微米的激光，能在等离子体中传播的临界密度是1.1×1021cm-3，介于气体密度与固液密度之间。
激光脉宽的减小使得激光等离子体相互作用出现新的物理现象。
fs级别的脉宽，对稀薄等离子体可以通过直接的LWFA来加速电子。
超短超强激光驱动电子等离子体加速电子，可获得能量高达1GeV、电荷接近1 n c、方向性优良、能散度小的高性能电子束，从而在高能加速器、聚变物理、短脉冲高亮度X光源产生、实现小型化自由电子激光等领域都有重大的应用价值。
研究激光同等离子体如何作用及粒子加速的机制具有非常重要的意义与价值。
图1、激光强度在CPA技术突破后大幅增强首先，激光同等离子体作用的第一步是材料对激光的吸收，除了普通的逆轫致吸收和共振吸收，在高强度相对论激光还有很多吸收机制，比如真空加热，J×B加热，有质动力直接加速离子，鞘场加速等等，下面根据加速粒子不同逐一介绍各种加速机制1979年,Tajima和Dawson提出用强激光脉冲激发等离子体波来加速电子的机制，这就是直接激光尾场加速（LWFA）[1]，原理是超强超短激光脉冲在稀薄等离子体中传播时，纵向的非线性力——有质动力(F p=-q2▽a02/4mw2）将电子推开，共振激发出等离子体波（尾波场）。
用于快点火的超短强脉冲激光技术
5．6用于快点火的超短强脉冲激光技术一．概述1． 飞秒激光脉冲的特性15110fs s −=飞秒（）激光最早出现于70年代初。
同传统的激光技术相类似，飞秒激光的发展也是和光学材料紧密相关的。
宽带的掺钛宝石激光晶体的出现，促进了飞秒激光在90-年代的飞速发展。
至今飞秒激光在宽带上可以小于4fs ，非常接近单个光波振荡周期。
另一方面，激光脉冲的峰值功率已经超过拍瓦（），相应的光波聚焦光强超过，相当于将所有覆盖于地球表面的太阳能辐射集中到3015110PW W =m μ21210/W cm 的小孔内所获得的强度。
因此，脉冲极短和强度极高的飞秒激光将显示独特的光波特性，并且将创造研究重大科学问题的新途径。
由于飞秒激光的脉冲宽度和光波振荡周期相近，其振幅和位相在相当的时间尺度上发生变化。
飞秒激光将显示出不同于其它较长脉冲的传输特性，光波的谱域相位()φω会显著的影响时域振幅分布或激光脉冲。
例如，50fs 脉宽的飞秒激光经过1cm 的光学玻璃线性传输，将展宽至约100fs 。
这种特性被称为群速度色散效应。
对于大多数光学透明介质，群速度色散仅在飞秒时间尺度上是重要的。
为清晰地说明群速度的概念，可以讨论光波由二列频率稍有不同的平面波组成的情况： 11220012[()][()]00[(())]0()()()2cos ())i k z t i k z t i k z t E t E t E t E e E e E k z t e k ωωωωωωω−−−=+=+Δ=Δ−Δ （1）其中211[()()]2k k k ωωΔ=−211()2ωωωΔ=− 021()21ωωω=+ 上式表明具有多个频率成分的光波的传输和单色平面波相比较，有很大的不同。
它是以中心频率0ω为载频的载波，而其振幅则成为随时间变化的振幅（Fig 1）。
载波表征整个光波的相位信息，其传递速度被定义为相速度。
振幅包洛体现了光波能量的信息，表征了多个频率成分的整体（群）行为，其随 时间变化的速度被定义为群速度p V g V ：g V k ω∂=∂ （2（a ）） p V k ω=（2（b ））图1. 脉冲光波的振幅包洛与载波群速度仅对于脉冲光波才是有意义的。
激光聚变试验点燃人类能源希望
激光聚变试验点燃人类能源希望标签：能源激光聚变实验中192路高能激光束聚焦在微小的靶丸上最新研究结果表明，影响利用激光产生聚变能源的主要障碍已经扫除原子的受控聚变——能产生类似太阳上的（高温高压）条件——长期被标榜为一种可能的革命性能源。
但是，对用于产生聚变能源的高功率激光器的使用却一直是质疑不断，因为激光作用过程中产生的等离子体会中断聚变过程。
SCIENCE上发表的一篇文章表明，等离子体的问题远没有相像得那么严重。
这个结论是研究人员在拥有192激光束的美国国家点火装置（NIF）进行初步实验后得出的。
在实验中，单一激光器的最高能量记录提高了20倍。
超常功率1997年，国家点火装置在劳伦斯·利弗莫尔国家实验室开工建设，2008年5月正式建成。
顾名思义，国家点火装置的目标是借助世界上迄今为止最大的激光器进行“点火”——有效且可控的热核爆炸。
它与现有的核电站有明显的不同，后者通过分裂原子（裂变）产生能量，而不是靠挤压原子产生聚变。
基于实验室的聚变反应会释放出多于开启反应所需要的能量，也就是超过临界点，证明这一点将预示着一个大规模产生能量的新时代的到来。
在NIF采用的惯性约束聚变方法中，靶是一个厘米尺度的金制圆柱体，也叫做黑体辐射腔。
其中放置了一个更微小的氘（氢的一种同位素）燃料丸。
1)192束激光聚焦后通过黑体辐射腔上的小孔；2)腔内的微小靶丸是一个温度极低的由氢同位素组成的固态混合物；3)黑腔受激光辐照后辐射出X射线；4)X射线烧去外层靶丸，把它加热到几百万度；5)如果燃料受到的挤压足够强和均匀，核聚变就会发生。
在关于激光聚变30年的争论中，一个重要的潜在障碍就是激光在靶腔内产生的等离子体。
他们担心的是等离子体（带电离子团）会阻碍靶腔吸收激光能量，均匀地传输给燃料，压缩燃料并最终点火。
NIF等离子体科学家Siegfried Glenzer领导一个小组对该理论进行验证，并打破记录。
他对BBC新闻说，“实验中聚焦到靶上的能量有669 kJ，这超过任何以往激光器的20倍。
核聚变三种点火方式
超强激光同次临界等离子体作用
• 1，自通道的形成。激光在横向和纵向产生 复杂的二维空间调制结构，成丝现象 • 2，产生时间慢变的强磁场 • 3，激发各种等离子体不稳定性
激光同超临界等离子体作用
• 1，超强激光在稠密等离子体中可以借组有 质动力和相对论效应进行传播 • 2，共振吸收，准共振吸收成为主要的吸收 机制，产生超热电子 • 3，反常趋肤效应，高强度小等离子体变得 透明
超热电子在稠密等离子体中的传输
• 1，极高的超热电子电流密度，超过阿尔文 电流极限 • 2，冷电子回流对超热电子流影响极大 • 3，冷电子回流，韦伯不稳定性导致电子束 成丝，磁场箍缩又导致多丝合并 • 4，超热电子束流方向的偏离弥散
ห้องสมุดไป่ตู้
快电子射程和能量沉积
激光聚变的三种点火方式
1，直接驱动 2，间接驱动 3，快点火
直接驱动
• 优点：能量利用率高 • 缺点：RT不稳定性导致对驱动源均匀性和 制靶的极高要求
间接驱动
• 优点：x射线输运快，容易做到均匀驱动内 爆，可相对较好的抑制流体力学不稳定性 • 缺点：总的激光利用效率低
快点火
快点火的优点
• 1，大大降低了压缩所需要的驱动能量，同 时降低了驱动压缩的对称性要求 • 2，快点火为等密度模型，此模型比等压模 型有大得多的能量增益 • 3，RT不稳定性在中心点火中最难的问题之 一，而快点火中流体力学不稳定性发展较 小
快点火存在的问题
• 如何将点火激光的能量快速有效的传输到 聚变靶丸芯部，使之达到点火条件 1，超强激光快点火涉及很多复杂的超强激光 和等离子体相互作用 2，超热电子在等离子体中的传输 3，超热电子的能量沉积点火的问题
快点火的一般过程
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摘 要 “快点火” 是近年来提出的激光聚变点火的一种新方式 . 它的特点是靶丸的压缩和点火分开进行 : 第一步
2 λ μm2 / cm2 ) 加热芯部实现点火 . 和 由通常的多束激光对称辐照靶丸获得高密度 ; 而后由单束超强激光 ( I ≈ 1018 —20 W
传统的 “热斑点火” 比较 , 快点火在压缩方面具有很多优越性 :大量节省驱动能量 , 降低了对驱动均匀性的要求 , 并且可 以达到更高的能量增益 . 但是超强激光点火却涉及一些非常复杂的问题 : 在预压缩形成的等离子体中打洞 ( hole bor2
2 λ μm2 / cm2 ) . Fast ignition is superior to traditional‘hot spot ignition’ ultraintense laser beam (of I ≈10 18 —20 W
in many aspects in t he precompression stage ; it drastically reduces t he energy required for precompression ( about ten times) , relaxes t he requirement of drive uniformity , and is able to reach higher energy gain. However , igni2 tion by ultraintense laser is very complicated. It involves boring a hole in t he precompressed plasma , generating intense hot electrons wit h MeV energy , transporting t hem in t he dense plasma and heating t he high2density core to meet ignition conditions. These problems are briefly discussed and t he possibilit y of ignition wit h laser energy
物理
less t han 100kJ is explored. Key words fast ignition , precompression , ultraintense laser interaction
1 引言
用热核聚变释放的能量解决能源问题是人类追 求的理想 ,为此已经奋斗了半个世纪 ,主要在两个方 面进行研究 : 磁约束和惯性约束 . 磁约束聚变 ( mag2 netic confinement f usion , 简称 MCF ) 希望用具有一 定构形的装置和磁场位型将高温 ( 几个 keV ) 氘氚等 离子体箍缩 , 稳定地产生热核反应 , 如托卡马克装 置 . 由于磁场达不到很高 ,热核粒子的密度就不能太 高 ( 1013 —15 / cm3 ) , 设计的目标是长时间稳定运行 . 惯性 约 束 聚 变 ( inertial confinement f usion , 简 称 ICF) 则不同 , 走的是高密度道路 , 反应粒子的密度 要达到大约 1026 / cm3 , 持续时间大约为 10 - 9 s , 因 此 ,作为能源的运行方式是脉冲式的 ,例如每秒发生 几次 . 本文讨论的是惯性约束聚变 , 研究也有 20 多 年的历史了 , 已经取得很大的进展 , 可望在不到 10 年实现点火 . 点火就意味着局部区域热核反应产生 的能量能加热本身及周围的部分冷燃料达到热核反 应所需的温度 ,为继续反应创造了条件 . 点火是高增 益靶设计的基础 . ICF 的驱动源 ,原则上可以是光或 粒子束 ,但目前研究最多的是激光 [ 将来的热核反应 堆驱动源是什么 , 尚无定论 , 离子束 、 半导体激发的 激光 ( DPL ) 、 Kr F 激光 、 Z 箍缩都有可能 , 最被看好 μm 的钕玻 的是重离子束 ] , 而且是短波长 , 如 0135 璃激光 . ICF 是由靶丸的内爆实现的 . 最简单的靶丸 由推进层和芯部燃料区组成 ( 燃料为 D T ,目前实验 多用 D T 气 ,将来要用贴于推进层内壁的 D T 固体 层 ,推进层则多为塑料或玻璃 ) , 是一个毫米大小的 球 . 驱动源均匀地作用于推进层 ,使外表面加热向外 膨胀 ( 称为烧蚀) ,由于动量守恒 ,就会有一个冲击波 向靶丸内部传播 , 压缩 D T 物质达到产生热核反应 所需要的密度和温度 ,并持续一定的时间 . 因此它是 靠物质的惯性创造条件和维持热核反应的 . 惯性约 束聚变又分为直接驱动和间接驱动两种方式 , 前者 要求足够多束的激光尽量均匀地辐照靶丸 ; 后者则 要求先将激光能转换为软 X 光 , 由 X 光烧蚀靶丸 , 因此又称为辐射驱动 . 激光转换 X 光是通过黑腔靶 ( hohlraum) 实现的 . 目前采用的黑腔多是柱形 , 由高 Z 材料制成 ( 例如 Au) ,以提高激光吸收和 X 光转换 效率 . 柱腔的两个端面各有一个激光入射孔 ,聚变靶
CHAN G Tie2Qiang
( Instit ute of A pplied Physics and Com putational M athem atics , Beiji ng 100088)
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Abstract Fast ignition is a recently proposed new scheme for realizing ignition of inertial confinement fusion , in which t he compression of an implosive capsule and its ignition proceed separately. First , t he fusion pellet is pre2 compressed by multiple beam lasers in t he conventional way to a high density , t hen ignition is realized by a single
究为纽带 ,光子学与生命科学的交叉结合必将开拓 出光辉灿烂的未来 . 参
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ing) ;在高密度燃料的边沿产生足够数量的高能量电子 ( MeV) , 这些电子的传输加热等 . 文章简短地讨论这些问题 , 并
研究了几十 kJ 激光能量实现点火的可能性 . 关键词 快点火 , 预压缩 , 超强激光等离子体相互作用
FAST IGNITION AND UL TRAINTENSE LASER PLASMA INTERACTION
考
文
献
Wallace J . Laser Focus World , 1999 (6) :24 Hogan H. Photonics Spectra , 1999 (7) :34 Sheppard L M. Photonics Spectra ,1999 (7) :28 Wheeler M D. Photonics Spectra , 1999 (2) :41 J u G , Nurmikko A V. Phys. Rev. Lett . , 1999 ,82 :3705 Hau L V , Harris S E , Dutton Z et al . Nature , 1999 , 397 : 594 Kash M M , Sautenkov V A , Zibrov A S et al . Phys. Rev. Lett . , 1999 ,82 :5229 Budker D , Yashchuk V , Zolotorev M. Phys. Rev. Lett . , 1998 ,81 :5788 Boller K 2J , Imamoglu A , Harris S E. Phys. Rev. Lett . , 1991 ,66 :2593
29 卷 ( 2000 年) 10 期
丸则放在黑腔的中央 . 激光通过入射孔进入黑腔 ,辐 照黑腔的内壁 , 被吸收和转换为 X 光 , X 光经过输 运作用于靶丸 . 间接驱动的优点在于 X 光输运快 , 容易做到均匀驱动内爆 , 而且 X 光烧蚀深度大 , 对 于内爆压缩流体力学不稳定性 ( 如 Rayleigh2 Taylor 不稳定性) 具有较好的抑制作用 . 流体力学不稳定性 对内爆是最大的威胁 , 而这正是直接驱动的困难之 处 . 间接驱动的缺点是总的激光能量利用效率较低 . 经过多年的研究 , 特别是 Nova 激光器上的靶物理 实验和美国利用地下核试验进行的 Halite/ Cent uri2 on 计划 ,间接驱动实现点火是有较大把握的 , 需要 ω0 激光能量 . 相应的激光器 N IF ( na2 1— 2MJ 的 3 tional ignition facility ) 正在建造 ( 118MJ ,192 路 , 峰 值功率约 500 TW) [ 1 ] . 以直接驱动方式实现点火需 要多少能量尚待进一步确定 . 直接驱动的能量利用 效率高 ,但其关键问题是内爆过程的流体力学不稳 定性 ,如果均匀辐照问题不能很好解决 ,点火所需的 激光能量也可能不比间接驱动低 . 直接驱动是否可 行 ,关键是需要有直接的实验证明 . Rochester 大学 的 45kJ 的 Omega 激光器是为此目的建造的 , 但其 实验情况还不是非常清楚[ 2 ] . 近年来提出的快点火[ 3 ] 为实现点火提出了新 的思路 . 它将整个过程分为独立的两步进行 : 先对靶 丸进行压缩 ,达到所需要的高密度 ( 预压缩) ,再加热 芯部达到点火条件 , 并分别由多束驱动内爆的激光 ( 10 13 —14 W/ cm2 ) 和 超 强 点 火 激 光 ( λ I 2 ≈ 1018 —20 μm2 / cm2 ) 实现 . 这种方式具有如下优越性 : 大大 W 降低了压缩所需要的驱动能量 , 同时降低了驱动压 缩的对称性要求 , 为较低驱动能量达到点火提供了 可能 . 但是 ,另一方面 , 利用超强激光点火是非常复 杂的过程 ,存在一系列物理的和技术上的困难和不 清楚之处 . 下面我们先研究预压缩内爆 ,然后再讨论 超强激光和等离子体相互作用的问题 .