强激光等离子体耦合效应的数值模拟

　第9卷　第3期强激光与粒子束V o l.9,N o.3 1997年8月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S A ug.,1997　

强激光等离子体耦合效应的数值模拟

屠琴芬　俞汉清　陈志华Ξ

(西北核技术研究所,西安69信箱15分箱,710024)

摘　要　研究了高强度(1012～1014W c m2),纳秒脉冲(高斯型)激光与A l、CH等离子体

的耦合效应。采用一维双温、单流体力学方程组,数值模拟研究激光强度和波长对靶表面能量

沉积和对等离子体特征参数的影响。激光等离子体耦合的主要机制有:轫致辐射、逆轫致辐射

吸收、热扩散和电子、离子之间碰撞能量交换。给出了电子最高温度与光强的近似定量关系。

关键词　强激光　等离子体　耦合效应　数值模拟

ABSTRACT　T he coup ling effect of h igh2in ten sity nano second laser pu lse w ith A l o r CH

p las m as are studied u sing the hydrodynam ical equati on s w h ich are one2di m esi onal,doub le2tem2

peratu re,single2flu id.T he effects of laser in ten sity and w avelength on energy depo siti on in the

target su rface and p las m a param etes are num erically investigated.T he m ain m echan is m of

laser p las m a coup ling includes the free2free b rem sstrah lung em issi on,inverse b rem sstrob lung

ab so rp ti on,the heat diffu ssi on and energy exchange betw een electron s and i on s.T he ap rox i2

m ate scales of m ax i m um electron temperatu re give ou t w ith respect to the laser in ten sity.

KEY WOR D S　h igh in ten sity laser,p las m a,coup ling effect,num erical si m u lati on

对垂直入射靶表面的高强度激光的能量沉积过程,以及激光与等离子体的耦合效应进行了数值模拟。激光波长为0.25～1.06Λm,强度为1012～1014W c m2。脉冲形状为高斯型,半高宽为1n s。靶表面激光能量沉积率、质量烧蚀率和等离子体的特征参数均与入射激光强度、波长和靶材的性质有关。

考虑等离子体是由离子、电子组成,并假设等离子体是电中性的。对电子和离子的压力、温度和热传导系数分别给予考虑。并利用近似的“co ronal”态方程求解电离度[2]。激光等离子体相互作用的主要机制包括:自由2自由轫致辐射,逆轫致吸收、电子2离子碰撞能量交换、热传导和激光能量沉积等。

对上述物理模型过程,采用一维双温、单流体力学方程组,由显、隐式耦合的差分方程进行数值模拟。计算给出电子最高温度与激光强度的近似定量关系;等离子体特征参数的时空变化;等离子体特征参数与入射光强、波长、靶材性质的关系。同时,还给出靶表面能量沉积随时间的变化关系。整个模拟清晰地展现了激光等离子体耦合效应的物理过程。我们的计算结果与国内外理论和实验结果吻合[1,2,4]。

1　模型

一束高斯型激光(半高宽为1n s,波长分别为Κ=1.06Λm,Κ 2,Κ 3,Κ 4,光强为1012、1013、1014W c m2)入射到A l和CH靶上,将靶置于真空环境中。

Ξ国家863惯性约束聚变领域资助项目。

1997年3月4日收到原稿,1997年7月3日收到修改稿。

屠琴芬,女,1941年5月出生,副研究员。

由于入射激光强度很高,脉宽很窄,忽略靶的加热、熔化过程,认为激光辐照靶的瞬间,靶即开始喷射。喷射率由文献[1]给出。

2　双温单流体力学方程

一维平面守恒方程

5R

5t=u(1)

5R 5x=Θ0

Θ(2)

5u

5t=-c V 5p

5R(3)

p=p i+p e+q a(4)

q a=l2

2

Θ

5u

5x-

5u

5x

[2]

(5)

Θ=A

N A

n i(6)

式中R为欧拉坐标,x为拉格朗日坐标,Θ为密度,c V为比容,q a为人造粘性,p i、p e分别为离子、电子压力,A为原子量,N A为阿伏加德罗常数。

对电子、离子的能量守恒方程分别为

5

5t(cΜe T e+E B)=-(5

5R Q e+p e

5

5R u)-E ei-ΕT+k L I a(7)

5

5t(c v i T i)=-5

5R Q i+p i

5

5R u)+E ei(8)

E B为电子束缚能,Q e为电子热传导贡献,E ei为电子2离子碰撞能量交换,ΕT为轫致辐射,k L I a 为激光能源项。在计算热通量中,均进行限流计算[3]

Q=m in k j 5T

5R,f n T

T

m e

1 2

sgn

5T

5R(9)

式中,k j为热传导系数,j=e为电子热传导系数,j=i为离子热传导系数,f的取值为0103～016。

在如此高的强激光照射下,电子温度T e和离子温度T i迅速上升,在极短时间内电子温度可达到几个eV以上,而密度又很稀薄(小于10-3g c m3)因而它们满足理想气体方程。激光能量沉积计算方面,只考虑激光从法线方向入射,设介质是吸收介质,到达临界面时则发生反射,反射后激光再次被等离子体吸收。不考虑激光的动量沉积和等离子体的反射和反常吸收。并假设激光在临界面是全反射的,当所有点的电子密度低于临界密度时,称此时为介质被激光烧穿的时刻。

3　结果

根据基本方程和参数方程的性质,对能量方程采用隐式差分,对运动方程采用显式差分格式,模拟激光与等离子体的耦合过程。根据稳定性条件要求,选取时间和空间步长。根据上述模型,编制了一维双温流体力学激光打靶程序,模拟计算激光辐照A l、CH靶生成等离子的物理过程。计算出等离子体特征参数的时空分布;图1给出激光辐照铝靶时,靶面能量沉积随时间的293强激光与粒子束第9卷