多脉冲激光与等离子体相互作用激发超强太赫兹辐射的粒子模拟研究

论文摘要

随着太赫兹波及其应用研究的逐步展开,人们迫切需要高功率、可调谐的太赫兹辐射源。近年来,中科院物理所的盛政明研究员提出了基于激光等离子体相互作用的线性模式转换理论,为我们研究新型太赫兹辐射源开辟了一条崭新的道路。本文的工作是在盛政明的相关研究基础上,利用数值模拟的方法重点研究了聚焦的激光脉冲垂直入射等离子体时,激光强度、脉宽和焦斑半径等参数对太赫兹辐射功率和频率的影响,并和模式转换理论作了比较。结果表明:激光强度是影响太赫兹辐射功率的主要因素。对于非相对论激光,激光越强,激起的静电波振幅越大,相应的太赫兹辐射越强;对于固定的等离子体初始条件,当脉宽在λp0附近时激起的静电波振幅最大,此时对应的太赫兹辐射最强。粒子模拟结果还表明,存在一个最优的焦斑半径Ropt≈0.35λP0使得辐射最强,且中心辐射频率会随着焦斑半径的增大而减小。我们的模拟结果和模式转换理论符合得很好。多脉冲激光可以有效增大等离子体中激发的静电波振幅,同时抑制等离子体不稳定性的增长,据此我们首次提出了利用多脉冲激光来激发太赫兹辐射的新方案。粒子模拟结果表明,包含四个脉冲的激光激发的太赫兹辐射功率是相同条件下单脉冲的6倍,可达到7.16 MW,此时太赫兹波的脉宽为300fs,总能量约为1μJ。此外,我们还优化了激光脉冲的间距,使之等于等离子体波长时可以使得激发的太赫兹辐射最强。我们的模拟结果很好地证明了多脉冲激光可以大幅度提高太赫兹辐射的功率,这对于太赫兹波的理论研究和以后的实际应用都有重要的参考价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 激光等离子体相互作用物理
• 1.1.1 激光等离子体相互作用特点
• 1.1.2 超短超强激光等离子体相互作用
• 1.2 激光等离子体物理重要应用领域
• 1.2.1 激光惯性约束核聚变和快点火
• 1.2.2 阿秒科学
• 1.2.3 太赫兹科学
• 1.2.4 粒子加速研究
• 1.3 激光等离子体相互作用的研究方法和粒子模拟
• 1.4 本章小结
• 第二章 基于激光等离子体相互作用的新型太赫兹辐射源
• 2.1 当前太赫兹辐射源的研究现状和进展
• 2.2 基于激光等离子体相互作用的新型太赫兹辐射源
• 2.2.1 线性模式转换的基本原理
• 2.2.2 线性模式转换理论的适用条件
• 2.3 本章小结
• 第三章 单脉冲激光参数对太赫兹辐射的影响
• 3.1 PIC模拟的条件和太赫兹辐射的产生
• 3.2 单脉冲激光激发超强太赫兹辐射
• 3.2.1 激光强度对太赫兹辐射的影响
• 3.2.2 激光脉宽对太赫兹辐射的影响
• 3.2.3 激光的焦斑半径对太赫兹辐射的影响
• 3.3 太赫兹辐射频率的调节
• 3.4 本章小结
• 第四章 多脉冲激光与等离子体相互作用激发太赫兹辐射
• 4.1 粒子模拟的初始条件
• 4.2 多脉冲个数对太赫兹辐射的影响
• 4.3 多脉冲间距对太赫兹辐射的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的文章