飞秒强激光在空气与低密度等离子体中传输的数值研究

摘要

随着啁啾脉冲放大技术(CPA)的不断发展，出现了脉宽为几十飞秒、强度可达1018～1022 W/cm2的超短超强激光脉冲。这样的高强度短脉冲激光在介质中传输时会引起很强的非线性效应，产生许多不同寻常的物理现象。飞秒激光在大气中传输时能够形成上百米甚至数千米的等离子体通道，这与许多实际应用密切相关，如产生太赫兹波、超宽带激光雷达、激光引雷等。激光在等离子体中传输时，它与等离子体相互作用能够产生高次谐波、软X射线激光，以及高能粒子束等，将其用于社会生活中将会对人类社会的进步起到巨大的促进作用。
　　本文首先系统阐述了激光在等离子体等介质中传输的物理机制，针对强激光在传输过程中涉及到的引导以及聚焦等物理问题进行了模拟研究，主要工作可分为以下三个部分:
　　一、对用于激光尾波场电子加速的充气型毛细管和喷气靶进行了模拟和分析。对于充气型毛细管气体靶，在充气达到稳定状态后，形成空间均匀的气体密度分布。毛细管的结构参数，如进气口的位置和宽度对气体密度分布的边缘有较大影响。采用锥形喷气靶可使气体密度分布的边缘更陡，但是锥形喷气靶的气流平稳性和气体密度分布的空间均匀性不如充气型毛细管气体靶。
　　二、通过数值模拟研究了延迟拉曼效应和高阶克尔效应对飞秒激光在大气中传输的聚焦、稳定传输长度以及对光谱的影响。延迟拉曼效应对激光自聚焦的位置、以及再次聚焦的次数有较大影响，它使自聚焦光强对激光束腰的变化敏感，在传输中使频谱展宽的中心向长波长移动。高阶克尔效应导致自聚焦的最大光强降低，在传输中频谱展宽相对对称。同时考虑延迟拉曼和高阶克尔效应的全模型中，在相同的激光输入功率条件下，较大的初始脉宽会增加激光的自聚焦稳定传输长度。
　　三、详细推导了弱相对论激光在等离子体中传输的近轴射线方程，研究了外加通道、轴上等离子体密度、激光功率以及初始光斑尺寸对传输的影响。外加密度通道能够对激光束进行有效的引导。预通道轴上等离子体密度增加，能使激光光斑尺寸变得更小，激光强度变的更高。在模拟参数范围内，激光入射功率增加使相对论自聚焦增强。较小初始光斑尺寸的激光在传输过程中抖动较小，相对较稳定;较大初始光斑尺寸的激光在传输过程中其光束半径能够被聚焦到更小的尺寸。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 飞秒强激光的发展及相关物理

1．2 飞秒激光传输研究进展

1．3 激光电子加速研究进展

1．3．1 理论方面

1．3．2 实验方面

1．4 论文内容安排

参考文献

第二章 激光在等离子体中的传输和导引

2．1 激光在等离子体中的基本传输方程

2．2 影响传输的因素

2．2．1 衍射效应

2．2．2 折射散焦

2．3 引导的方式

2．3．1 克尔自聚焦

2．3．2 相对论自聚焦

2．3．3 有质动力自通道

2．3．4 预等离子体通道

2．4 本章小结

参考文献

第三章 用于低密度等离子体产生的气体靶模拟研究

3．1 气体靶的模拟条件

3．2 毛细管的非稳态流体模拟

3．3 毛细管内气体密度与背压定标关系

3．4 毛细管结构对气体密度分布的影响

3．4．1 毛细管进气口位置对气体密度分布的影响

3．4．2 毛细管的进气口宽度对密度分布的影响

3．5 毛细管与锥形喷气靶的均匀性与平稳性比较

3．6 本章小结

参考文献

第四章 飞秒强激光在大气中的自聚焦传输

4．1 飞秒强激光在大气中传输研究概述

4．2 飞秒强激光在大气中传输的数学模型和求解方法

4．2．1 数学模型

4．2．2 求解方法

4．3 结果与分析

4．3．1 三种模型下激光大气传输聚焦分析

4．3．2 入射激光的初始参数对传输的影响

4．4 本章小结

参考文献

第五章 激光在低密度等离子体中的传输

5．1 激光在等离子体中传输的射线方程

5．2 初步结果

5．2．1 等离子体参数对传输的影响

5．2．2 激光参数对传输的影响

5．3 本章小结

参考文献

总结与展望

致谢

攻读学位期间发表的论文情况