發(fā)布時間：2020-10-29 17:56

　　 近三十年,激光技術的快速進步有力地推動了激光與等離子體相互作用研究。相關的諸多物理問題,比如激光在等離子體中的傳輸、等離子體波的激發(fā)、不穩(wěn)定性的發(fā)展等,得到了深入研究,并取得了令人矚目的進展,同時衍生出許多重要應用,如慣性約束聚變、激光驅(qū)動粒子源、激光驅(qū)動輻射源等。本論文著重研究激光等離子體相互作用過程中與等離子體波相關的物理問題,主要做了以下兩個方面的工作:1.從數(shù)值模擬和理論兩個方面研究了強激光在陡峭密度梯度等離子體中激發(fā)的受激拉曼側(cè)向散射。隨著超短超強激光的發(fā)展,陡峭密度梯度等離子體中的不穩(wěn)定性得到廣泛的關注。粒子模擬結(jié)果表明,即使等離子體標長短至一個激光波長,強受激拉曼側(cè)向散射本征模也會被激發(fā)。通過研究標長對受激拉曼側(cè)向散射光特性的影響,發(fā)現(xiàn)存在一個最小標長以確保散射光足夠強,以能夠有效地被觀測到;而且隨著等離子體標長的增大,散射光的頻率逐漸接近入射激光脈沖頻率的一半。當不考慮離子運動時,模擬結(jié)果與非均勻等離子體中受激拉曼側(cè)向散射增長的線性理論較為吻合,表明線性理論適用于陡峭密度梯度等離子體中受激拉曼側(cè)向散射的增長。但是,在模擬中考慮離子運動時,由有質(zhì)動力引起的等離子體彎曲對散射光的性質(zhì)有重要影響。盡管如此,根據(jù)陡峭密度梯度等離子體中激發(fā)的受激拉曼側(cè)向散射本征模特性可以定性地判斷短等離子體密度標長的范圍。這對于激光與納米薄膜靶的相互作用研究是有利的。2.利用2維粒子模擬研究了晶體中相對論X射線激光驅(qū)動尾場產(chǎn)生阿秒高品質(zhì)電子束的物理機制。作為一種新型光源,X射線激光快速發(fā)展,并有望在將來獲得相對論強度的阿秒X射線脈沖。相對論強度X射線在晶體中可以激發(fā)出TV/cm量級的空泡尾場。雖然尾場會受到晶格附近的靜電場的影響而呈現(xiàn)周期性的調(diào)制,但尾場中電子的加速并沒有受到影響。由于晶體的穩(wěn)定性,在尖銳的晶體真空邊界處的波破可以導致電子注入到空泡中,而且這種注入具有較高的重復性。此外,可以通過在晶體上鍍不同密度的納米薄膜的方式來控制電子注入。基于相對論X射線激光和微米厚的晶體片的相互作用,可以獲得低發(fā)射度、低能散的高能阿秒電子束。這種小型晶體加速器具有MHz量級的重頻和對電子束參數(shù)的充分控制。未來它可以作為具有阿秒分辨能力的超快電子衍射和超快電子顯微鏡的理想電子源。
【學位單位】：上海師范大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TN24;O53
【部分圖文】：

其中,分別是入射泵浦光的頻率和波矢,分別是散射光的頻率和波矢,分別是電子等離子體波的頻率和波矢。根據(jù)散射光激發(fā)的相對方向,受激拉曼散射可分為以下幾種機制:受激拉曼背向散射、受激拉曼前向散射以及受激拉曼側(cè)向散射。其相應的波矢匹配關系如圖1-1所示。在等離子體中,入射泵浦光、散射光和電子等離子體波分別遵循如下色散關系:

2001年,E.S.Dodd等人研究了激光頻率啁啾對拉曼前向散射的影響[19]。他們選取120fs的half-sine型激光包絡,并且采用脈寬守恒而頻帶展寬的啁啾形式,無啁啾時激光頻譜帶寬為1.3%,引入頻率啁啾后帶寬增加到20%。粒子模擬結(jié)果表明正啁啾激光脈沖極大地加強了拉曼前向散射,而負啁啾則完全抑制了拉曼前向散射的發(fā)生,如圖1-2所示。2017年,趙耀等人提出利用寬帶解耦激光束來實現(xiàn)對受激拉曼散射的有效抑制[22]。借助色散關系,他們發(fā)現(xiàn)如果兩束不同頻率的單色激光束的參量不穩(wěn)定區(qū)域在等離子體波的波矢空間沒有交疊時,這兩束光之間就不能通過等離子體波的激發(fā)產(chǎn)生耦合。通過設計合適的非相干合成光的參數(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)對SRS等不穩(wěn)定的有效抑制。相比正弦調(diào)頻激光,這種“寬帶解耦激光束”由于引入了隨機相位使得對SRS的抑制更加明顯。

另一個有關受激拉曼散射的研究熱點是利用泵浦光在等離子體通道中的背向拉曼散射來實現(xiàn)對種子光的壓縮和放大,即受激拉曼放大技術[25-34]。1999年,該技術由Malkin等人在理論上首次提出,并預言當達到非線性放大階段的泵浦耗盡機制時,種子光可以成為一個量級的極高功率輸出[25]。圖1-3是背向拉曼散射放大的示意圖。泵浦光和種子光共振激發(fā)等離子體波,當泵浦光,種子光及等離子體波滿足三波共振條件時,泵浦光的能量通過等離子體波背向散射轉(zhuǎn)移到種子光里。當泵浦光頻率約10倍于等離子體波頻率時,理論上其能量轉(zhuǎn)換效率可以高達90%。如果種子光碰到的泵浦光能量全部被背向散射到種子光里(即泵浦耗盡),那么種子光波前始終能夠就被持續(xù)地放大,而種子光后沿只能跟被種子光波前已耗盡的泵浦光作用,其放大效果不明顯。這樣種子光的大部分能量都集中在波前,種子整體的脈寬就會變窄。2000年普林斯頓團隊首次在實驗上驗證了基于等離子體的背向拉曼放大[26]。此后,等離子體中背向拉曼放大的實驗取得了很大的進展[27-32]。其中,Ren等人利用脈寬為20ps的803nm泵浦光對550fs、878nm的種子實現(xiàn)了4000倍的放大,同時還觀察到了種子光脈寬的壓縮[29]。在他們的實驗中,首先利用1064nm、6ns的預激光產(chǎn)生了具有一定密度梯度的等離子體,巧妙地利用等離子體的密度梯度來克服由種子光譜寬引起的失諧效應。2008年,Pai等人利用一束160ps的加熱光和38fs的點火光擊穿氫氣產(chǎn)生了一個密度為、9mm長的等離子體波導,在該等離子體波導中脈寬為160ps的810nm泵浦光實現(xiàn)了對脈寬為38fs的869nm種子光的900倍放大[30]。
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本文編號：2861250