超强激光与超薄固体靶相互作用的非线性物理过程研究

论文摘要

为探究极端条件下的物理现象,人们一直寻求更短更强的激光脉冲条件。尤其是啁啾脉冲放大技术的出现,激光达到相对论强度,使得研究相对论下的非线性动力学成为可能。然而随着激光光强的不断升高,光学元件热损伤问题逐渐突显,成为制约激光技术发展的瓶颈性因素。等离子体作为一种新型光学介质,无热损伤阈值,用来操控强光脉冲和放大激光场已成为国内外研究的一个热点方向。本文的工作是在沈百飞等人的相关研究基础上,采用理论分析和粒子模拟相结合的方式,通过对超强激光与超薄靶相互作用非线性物理过程的研究,提出利用超薄靶实现光脉冲整形和激光场放大的研究方案。论文的主要内容分为三个部分:第一部分是超强激光与薄膜靶相互作用理论模型的简介,该部分详细阐述了超强激光与过稠密等离子体相互作用过程中稳态模型的解析求解,借此了解激光薄膜靶的基本运动行为,为等离子体操控强激光脉冲的研究提供理论依据。第二部分是薄膜靶整形强激光脉冲的理论分析和数值模拟。研究表明,薄膜靶通过对激光脉冲的非线性调制,可有效实现脉宽缩短和脉冲陡化;对比单层靶调制结果,利用双层靶可进一步优化脉冲整形效果,获得更短脉宽和更高振幅的激光脉冲;对于峰值振幅高于薄膜靶击穿阈值的超强激光,透射脉冲上升前沿获得明显陡化。第三部分是单束激光脉冲俘获及放大机制的理论分析与数值模拟研究,提出用固体靶前放置薄膜靶来实现激光场放大的新方案,研究了针对单束激光脉冲条件的俘获及放大机制。理论模型与数值模拟均表明入射激光能量可以部分地以驻波形式驻留在靶间区域并得到有效放大。研究表明在入射激光、俘获激光光压和电荷分离场的共同作用下,薄膜靶电子层压缩和膨胀是能量积累存在反复振荡过程的直接原因,经过振荡后激光脉冲得到稳定俘获。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超强超短脉冲激光技术的发展
• 1.2 激光等离子体相互作用物理
• 1.2.1 激光等离子体物理特点
• 1.2.2 激光等离子体物理的几个重要应用领域
• 1.3 激光等离子体物理研究方法与粒子模拟
• 1.3.1 激光等离子体物理的研究方法
• 1.3.2 粒子模拟方法与进展
• 1.4 本章小结
• 第二章 激光与薄膜靶相互作用的物理模型
• 2.1 物理模型及稳态求解
• 2.2 基于单束激光脉冲的解析方法
• 2.3 基于双束激光脉冲的解析方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 薄膜靶整形强激光脉冲的理论分析和数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 理论模型与分析
• 3.3 模拟结果与讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 单束激光脉冲俘获及放大机制的理论分析与数值模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 理论模型与求解
• 4.3 主要模拟结果与讨论
• 4.4 不同参数下的模拟结果
• 4.4.1 改变薄膜靶间距
• 4.4.2 改变入射光振幅
• 4.4.3 改变入射光极化
• 4.4.4 离子运动的影响
• 4.5 本章小结
• 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果