紫外飞秒激光产生的相对论电离波前研究

论文摘要

高强度的超短脉冲激光可使中性气体在激光脉宽时间内就能很快发生完全电离而产生高密度的等离子体,同时形成一个近似光速向前传播的等离子体-中性气体界面,称其为相对论电离波前,论文围绕电磁波与相对论电离波前的相互作用,进行了相关的理论和实验研究。从光线追迹方程出发,对电磁波与电离波前二维作用产生的频率和角度变化进行了研究,得到了五种作用情况下的频率变换公式,指出除了频率上移,在特定等离子体密度和波前速度条件下,还会发生频率下移的现象。利用运动边界条件和Maxwell方程组,得到TE偏振电磁波斜入射时电离波前的反射系数、透射系数和静磁场系数,指出在等离子体密度较低时,会出现反射波完全消失的情况。研究结果表明,要从实验上观测透射波显著的频率上移,除要选取合适的入射角,还必须提高电离波前的相对等离子体密度。建立了一套飞秒-纳秒激光与高密度超音速喷气作用的实验系统,并对紫外飞秒激光电离喷气产生相对论电离波前的过程进行了研究。实验中利用紫外飞秒激光与不同密度的氦气和氩气喷气作用,测量了由于飞秒激光超快电离引起的自身光谱蓝移,并对紫外超短脉冲强激光电离高密度喷气的过程进行了数值模拟,得到了气体电离形成的电离波前等离子体密度分布与激光参数的关系,并提出用电离上升时间和密度增长厚度这两个特征参数来刻画超短激光电离形成的电离波前的等离子体密度分布特性,指出等离子体密度分布更“陡”的电离波前需利用更短的激光脉冲电离更高密度的气体产生,仅提高激光强度并不能有效提高其密度梯度。利用纳秒探针激光研究紫外飞秒激光电离高密度超音速喷气产生的电离波前的实验中,在可见光波段观察到强烈的光辐射,它远强于飞秒激光或纳秒激光脉冲单独与喷气作用时的辐射。这种飞秒-纳秒双激光脉冲导致的辐射增强效应,可能是由飞秒激光电离产生的初始电子在纳秒激光场中通过逆韧致过程发生级联碰撞电离引起。论文还对增强辐射的光谱特性进行了测量,观察分析了双脉冲之间的延时对辐射增强效应的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 论文工作背景
• 1.1.1 什么是相对论电离波前
• 1.1.2 电磁波与电离波前作用
• 1.1.3 理论研究概述
• 1.1.4 实验概述及评论
• 1.1.5 开展相对论电离波前研究的意义
• 1.2 论文主要工作内容
• 1.3 论文工作的创新之处
• 1.4 论文结构安排
• 第2章 电磁波与电离波前的二维作用
• 2.1 二维作用下的频率转换
• 2.1.1 哈密顿形式的光线追迹方程
• 2.1.2 反向反射作用
• 2.1.3 反向透射作用
• 2.1.4 同向反射作用
• 2.1.5 同向透射作用
• 2.2 二维作用下的转换系数
• 2.2.1 四种电磁波模式
• 2.2.2 一般情况下的转换系数
• 2.2.3 两种特殊作用情况的转换系数
• 2.3 小结
• 第3章 实验系统描述
• 3.1 紫外飞秒激光系统
• 3.2 纳秒激光系统
• 3.3 超音速喷气系统
• 3.3.1 喷嘴结构设计
• 3.3.2 超音速喷嘴控制系统
• 3.3.3 喷嘴特性实验测定
• 3.3.3.1 喷气开始时间的测量
• 3.3.3.2 喷气脉冲长度测量
• 3.3.3.3 喷气绝对密度估计
• 3.4 光学聚焦与监测系统
• 3.4.1 聚焦透镜设计
• 3.4.2 激光电离焦点监测
• 3.4.3 激光聚焦强度
• 3.5 小结
• 第4章 喷气的飞秒激光电离动力学
• 4.1 光谱蓝移实验
• 4.1.1 实验安排
• 4.1.2 实验结果
• 4.1.2.1 氦气喷气电离蓝移光谱
• 4.1.2.2 氩气喷气电离蓝移光谱
• 4.1.2.3 电离焦点比较
• 4.1.2.4 蓝移光谱比较
• 4.2 电离引起的光谱蓝移
• 4.2.1 光谱蓝移机制
• 4.2.2 气体电离引起的蓝移
• 4.3 飞秒激光气体电离模拟
• 4.3.1 电离的阈值强度
• 4.3.2 强激光电离速率
• 4.3.2.1 Keldysh 公式
• 4.3.2.2 ADK 公式
• 4.3.2.3 氦气和氩气的强场电离速率
• 4.3.2.4 碰撞电离的考虑
• 4.3.3 氦气和氩气的电离模拟
• 4.3.3.1 电离方程
• 4.3.3.2 氦气电离演化过程
• 4.3.3.3 氩气电离演化过程
• 4.3.3.4 氦气和氩气电离比较
• 4.4 飞秒激光形成的电离波前
• 4.5 小结
• 第5章 飞秒－纳秒激光与喷气的相互作用
• 5.1 关于电离波前的实验
• 5.2 辐射增强实验
• 5.2.1 实验安排
• 5.2.2 辐射增强的现象
• 5.2.2.1 与氦气喷气作用
• 5.2.2.2 与氩气喷气作用
• 5.2.2.3 与氙气喷气作用
• 5.2.3 发射光谱测量
• 5.2.3.1 氦气作用发射光谱
• 5.2.3.2 氩气作用发射光谱
• 5.2.4 双脉冲延迟测量
• 5.2.4.1 氦气的双脉冲延迟测量
• 5.2.4.2 氧气的双脉冲延迟测量
• 5.3 辐射增强机制探讨
• 5.3.1 激光物质击穿的辐射过程
• 5.3.2 双脉冲辐射增强
• 5.4 小结
• 第6章 总结
• 6.1 研究总结
• 6.2 需要进一步开展的工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果