激光等离子体相互作用的局域振荡电子加热机制

用2.5维粒子模拟程序模拟了超强激光与等离子体的相互作用过程,发现超强激光可以通过J ×B加热机制加速电子并引起电荷分离,从而产生很强的静电场并形成电场势阱,电子在静电场势阱中振荡, 被多次加速,使得高速电子被甩出势阱,进而增强电荷分离,然后静电场结构被破坏,静电势能传给电子。在此 过程中,电子在此阱中作局域振荡,并且被J×B机制多次加速,激光的能量会有效地传给电子,使电子能量高 达10MeV。这是一种新的电子加热机制,称之为局域振荡电子加热机制。

激光等离子体相互作用的能量吸收机制

基于激光等离子体交互作用的能量吸收机制建立了数学模型,采用PIC方法研究非均匀短脉冲强激光入射到均匀分布的稠密等离子体时的能量吸收机制.对比研究了J×B加热、共振吸收、真空加热三种能量吸收机制,以期找到最适合等离子激光复合熔积成形数值模拟能量吸收机制.

聚变激光等离子体相互作用中受激拉曼散射动理学数值模拟研究进展

针对影响惯性约束聚变实现中的各种激光等离子体相互作用不稳定性问题,科学家们借助高速发展的计算机技术做了大量的模拟仿真研究,以辅助推动惯性约束聚变工程的发展进程。笔者介绍了激光等离子体相互作用中的动理学数值模拟方法,并着重介绍惯性约束聚变中受激拉曼散射动理学数值模拟的研究进展,并对可能的研究发展方向予以展望。

研究生《激光等离子体相互作用原理》专业课程创新教学模式探索

介绍了国内激光等离子体相互作用课程的教学情况、教材使用情况,国防科学技术大学理学院在该课程的教学中所进行的创新性教学模式探索实践和所取得的成效。最后总结了教学改革和人才培养的经验,对其它研究生课程建设具有一定的参考价值。

激光等离子体相互作用的2(1/2)维粒子模拟程序

研制了 2 12 维粒子模拟程序PLASIM(PlasmaSimulator) ,介绍经过验证的该粒子模拟程序的算法 ,其特点是自含碰撞 ,即 β 粒子云模型的选取使得该程序无需额外的计算开销就能在程序中自洽地含有碰撞 ,使计算结果更加符合实际情况 .另外电子和离子的运动都是相对论的 ,适于模拟超强激光与等离子体的相互作用 .

粒子模拟程序的发展及其在激光等离子体相互作用研究中的应用

介绍针对超短超强激光脉冲与等离子体相互作用研究的多维粒子模拟程序KLAP.在其一维程序KLAP1D中,考虑场电离、碰撞离化及两体碰撞效应后,程序可以用于研究短脉冲激光与中性物质的相互作用.在其三维程序KLAP3D中,为了研究加速能量达GeV的长距离激光尾波场加速问题,程序采用移动窗口技术,使得模拟尺度可以达到厘米量级.同时介绍了利用KLAP程序得到的有关THz辐射、激光与中性气体相互作用中的脉冲及离化波前演化、激光固体靶作用中表面电子加速及激光尾波场加速的研究实例.

超短超强激光等离子体相互作用研究的进展及其潜在的应用

从激光技术的发展、超短超强激光等离子体相互作用研究的特点、方法、内容及其潜在的应用等5个方面对强场物理在国内外的情况作了论述,进一步指出强场物理的实验研究及其应用依赖于激光装置的发展,而超短超强激光技术的发展又使得强场物理的研究变得更具前景、更具挑战性.

激光等离子体相互作用的数值模拟

基于激光等离子体相互作用的复杂物理过程的数学模型,采用PIC方法分别研究了P极化和S极化非均匀短脉冲强激光入射均匀分布的稠密等离子体时引起的空泡、成丝等物理现象。模拟了激光脉冲在真空中的3维传播形貌。由3维密度分布图发现:激光产生的巨大的有质动力向两侧推动粒子,形成等离子体密度通道;当激光脉冲入射等离子体区域后,纵向加速的电子速度峰值出现在电流峰值处。

激光等离子体相互作用模拟的并行和加速研究

随着生成超短激光脉冲技术的不断发展,对这种激光脉冲和等离子体相互作用进行动力学描述也变得越来越重要。PIC(particle-in-cell)是一种在等离子体物理中,研究充能粒子在电磁场中运动轨迹的广泛采用的方法。尽管现在已经有一些在GPU上的PIC方法的实现,但是基于激光等离子体相互作用模拟的特点,仍然有很多重要问题可以尝试其他解决思路。提出了一种把初始的基于CPU的LPI模拟代码完整移植到GPU上的可行方法。提出了一系列加速初始的GPU版本的方法:动态冗余算法、混合精度算法、粒子排序算法。利用并且评估了GPUDirect RDMA(remote direct memory access)技术,其可以提高MPI的通信性能。实验结果证明,与初始的GPU版本相比,"Scatter"阶段加速比为6.1倍,当MPI传输数据大于3 KB时,通信过程提速了2.8倍。这些研究证明了针对模拟应用和GPU集群的特点进行特殊的优化能对性能带来显著的提升。

短脉冲激光等离子体相互作用的离子发射谱研究

短脉冲强激光系统的建立,为激光与等离子体相互作用的研究提供了非常新颖和有利的实验条件。短脉冲强激光辐照固体靶,能瞬间在固体表面形成非常薄(小尺度)的高密度等离子体。由于短脉冲激光上升沿较陡,所产生的激光等离子体便具有一些新的特征,其产生机理,二次谐波发射,X射线发射,以及离子发射都与长脉冲激光等离子体有所差别。

三维激光等离子体相互作用并行数值模拟

提供一个三维非线性流体力学与激光传播耦合的并行求解软件LAP3D，以帮助物理人员研究激光束自聚焦、激光成丝现象。LAP3D基于三维Cartesian坐标系，假设激光沿z向传播，在等离子体标准中性近似假设条件下，忽略电子动量，求解三维Euler流体力学方程、非局域电子热传导方程、旁轴包络近似的激光传播方程3个物理过程。

强激光等离子体相互作用驱动高次谐波与阿秒辐射研究进展

对超快过程的探测和控制决定了人类在微观层面认识和改造物质世界的能力.阿秒光源可完成对组成物质的电子运动及其关联效应进行超高时空分辨的探测和操控,为人类认识微观世界提供了全新手段,被认为是激光科学史上最重要的里程碑之一.世界主要科技强国都将阿秒科学列为未来10年重要的科技发展方向.利用强激光与物质相互作用产生高次谐波是突破飞秒极限实现高亮度阿秒脉冲辐射的重要方案之一,成为了近年来激光等离子体领域的研究热点.本文聚焦强激光与等离子体相互作用中的高次谐波和阿秒脉冲辐射,主要介绍其产生机制、研究进展和前沿应用,并对未来的发展趋势和创新突破进行展望.

激光等离子体相互作用中的电磁不稳定性和能量运输

利用相对论电磁粒子模拟程序研究了超强激光与等离子体相互作用中产生的电磁不稳定性的发展演化过程.讨论了电磁不稳定性的发生和非线性饱和过程.给出了不稳定性的线性增长率和各向异性参量之间的函数关系,用Spitzer-Harm理论分析了电子热传导中能量的运输情况,观察到由激光的非等方加热引起的电子纵向加热现象.结果表明,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电子热流产生抑制作用.

激光等离子体相互作用中Weibel不稳定性

利用粒子模拟法对超强激光与等离子体相互作用中产生的Weibel不稳定性及其产生机制进行了详细的研究。给出不稳定性的线性色散关系和饱和磁场与各向异性参数之间的函数关系,发现Weibel不稳定性的存在使超强激光在等离子体中激发的自生磁场饱和,饱和自生磁场的存在使粒子速度分布在激光传播方向上表现出各向异性。讨论了Weibel不稳定性的线性和非线性饱和过程,对更好地理解快点火物理中自生磁场的产生、快电子输运等过程有重要意义。

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.

近玻尔速度能区高电荷态离子与激光等离子体相互作用实验研究装置

近玻尔速度能区高电荷态离子在稠密等离子体中的能量损失是强流重离子束驱动的高能量密度物理等前沿研究中的核心物理问题之一.基于中国科学院近代物理研究所的320 kV实验平台,新建立了一套近玻尔速度能区离子束与激光等离子体相互作用的实验研究装置,用于开展高精度的离子能量损失和电荷态研究.本文将详细介绍该装置的特点,包括脉冲离子束(≥200 ns)的产生与调控、高密度(10^(17)—10^(21)cm^(–3))激光等离子体靶的制备、等离子体参数诊断与离子的高精度测量(<1%)等.基于该装置已开展了百keV的质子束和4 MeV的Xe^(15+)离子束与激光Al等离子体靶相互作用的实验,并取得了相应的结果.本实验装置能够为中国在近玻尔速度能区高电荷离子与稠密激光等离子体相互作用研究提供高精度的实验数据,以促进理论工作的发展.

激光等离子体相互作用中量子电动力学效应对激光能量吸收的影响

为了研究强激光与等离子体相互作用中的量子电动力学(QED)效应对激光能量吸收的影响,用理论方法对强度为I>10^22wcm^-2、反方向传播的两束圆极化强激光与等离子体固体靶相互作用过程进行研究。探讨经典和QED情况下的辐射阻尼效应对激光能量吸收的影响。结果表明,在QED情况下,在相互作用过程中能够产生高能电子和高能辐射。这些高能电子集体振荡过程中的辐射阻尼导致激光能量的强吸收。QED情况比经典情况具有更好的实际应用价值。

激光等离子体相互作用产生的非线性力——有质动力

空间分布不均匀的激光脉冲在真空或等离子体中会产生一个非线性有质动力,而有质动力在激光等离子体相互作用中有重要的作用,它可以加速带电粒子,促使激光等离子体各种不稳定性的发展等。本文将通过理论分析,求解非相对论和相对论下的有质动力表达式,并进一步讨论有质动力表达式的适用范围以及有质动力在激光等离子相互作用过程中所能引起的作用。

基于单束强激光和固体靶相互作用的瞬态等离子体密度光栅产生研究

通过1维粒子模拟(PIC)的方法,发现利用单束超短激光与固体密度的等离子体碳靶相互作用可以产生瞬态等离子体密度光栅。研究表明,当选取合适的激光以及等离子体参数,等离子靶后表面的反射激光与入射激光通过干涉形成驻波,然后等离子体在有质动力势和电荷分离场的调制下演化出瞬态等离子体数密度光栅。当波长在40~130 nm之间的紫外飞秒激光束和亚临界密度等离子体相互作用时,瞬态等离子密度光栅的稳定时间可达数十个皮秒,峰值密度最大可达初始数密度二十倍以上。和传统的通过双激光束干涉或者梯度靶形成等离子体光栅的方案相比,该方案只需要单束激光和均匀固体靶相互作用就可以实现等离子体光栅,且具有更高的对比度,在实验上更容易实现。

飞秒激光与等离子体相互作用过程中超热电子能谱的测量

报道了在3TW飞秒激光器上完成的激光 等离子体相互作用过程中产生的超热电子的能谱测量结果。能谱测量显示:在较低的能段,超热电子能谱先是呈现一个局部的平台,然后迅速衰减,呈现非类麦克斯韦分布,这是由于几种加热机制共同作用,其中占主导地位的是反射激光对电子的加速;在较高的能段,超热电子能谱呈类麦克斯韦分布,拟合的温度远远高于已知的温度定标律给出的温度,其原因在于超热电子分布的高能尾部本身的抬高和激光的自聚焦及成道。