强场激光诱导等离子体传输特性的研究

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1、第一章绪论1．1超短脉冲的传输超短脉冲的产生对激光的传输有着深远的影响并使得激光传输的研究成为当今一个热点研究方向。近年来，超短脉冲激光在许多领域的研究得到了广泛应用，这些应用的主要兴趣基本上都集中在短脉冲激光的脉冲传输特性方面，如自聚焦和自导引等。强激光在介质中传输时可以引起很强的非线性效应，包括光克尔效应引起的自聚焦，光场电离及其对光脉冲的散焦效应、高次谐波的产生、超连续谱和白光辐射n。31等。利用GW和TW级超短强脉冲激光在介质中自聚焦产生白光辐射是当今的一个主要的研究方向。实验中已经观察到

2、利用TW级超短强激光脉冲聚焦在气体和液体中产生的白光辐射以及稳定的光学成丝，而这种成丝的传输距离可达几十到几百米的范围。这种成丝的原理就是光学的自引导，也就是光束的衍射和折射在瞬态产生的等离子体中达到平衡。在许多实际应用中，诸如可调谐的超短脉冲的产生【卜31、大气中的污染探测【41、雷电控制【5捌等方面存在着许多潜在的应用前景。因此，一直以来人们对超短超强激光脉冲在空气中长距离传输的研究都怀着极人的兴趣，并开展了一系列相关的理论与实验研究。这其中的许多实验所用到的高功率超短激光脉冲的脉宽都是在亚皮

3、秒(100～300fs)量级，其在空气中传输的一系列实验结果，提供了伴随着脉冲崩塌而产生的新型光导的直接证据。当一束超强激光照射到介质上时，光场强度远远超过库仑场的强度，原子中的电子迅速被剥离。对于非常稀薄的气体来说，这一过程产生的电子可以近似认为是自由电子。对于足够密度的物质来说，这一光致电离的过程将产生等离子体。当没有光引导机制时，与激光在自由空间传输一样，激光在等离子体中传输一个Rayleigh距离以后发散掉(磊=锄∥力，锄是激光中心波数，rD是真空中聚焦光束半径最小值)，但在实际应用中，人

4、们都希望激光能够在等离子体中传输几个甚至几十个Raylei曲距离而没有发散掉，即要实现强激光在等离子体中的长距离传输，并研究其中的导引机制。胁泖，肼66"，馏，肌幽"等人第一章绪论在实验中观察到，超强飞秒激光脉冲在空气中传输时所形成的具有高光强且只在局部存在的非线性光丝可以传输到超过脉冲光束所对应的Rayleigh距离的范围。另据德国的一个科研小组在1997年的报道，他们在实验上首次观察到了，用一束峰值功率为2Tw、脉宽为110fs、中心波长为790咖的激光脉冲在大气中垂直穿越了12km(实验脉冲

5、的束腰宽是6cm)，相应的Raylei曲距离大约是12蛔，而此时激光在空气中发生自聚焦所需的临界功率仅为2GW，是实验时激光脉冲峰值功率的千分之一。同时，由于强激光一等离子体相互作用过程中复杂的波一粒、波一波相互作用和强烈的非线性，将激发各种不稳定性，从而危害强激光在等离子体中传输时所受引导的稳定性。可见，对强激光在等离子体(包括电离气体)中传输特性的研究其内容十分丰富。当超强激光在介质和等离子体中传输时，会出现一些类似于传统非线性关学但源于完全不同的物理机理的光学现象，比如：自聚焦、自相位调制、

6、高次谐波的产生等等。一些基于等离子体与超强激光相互作用的应用正处于研究的最前沿，比如激光惯性约束核聚变、激光电子加速器、激光驱动的X射线源、非线性量子电动力学等等。1．2等离子体物理描述等离子体(电离气体可视为部分电离的等离子体)是由大量带电粒子组成的非凝聚系统【l捌。等离子体状态是物质存在的基本形式之一，与固态、液态、和气态并列，称为物质第四态。等离子体的主要特征是；粒子间存在长程库仑力，其运动与电磁场的运动紧密耦合，存在及其丰富的集体效应和集体运动模式。宇宙中绝大部分物质(99％以上)处于等离

7、子体状态，人造(实验室)等离子体在现代高科技中起着极其重要的作用。强激光等离子体物理学是一门近三十年来随着激光核聚变研究和激光技术迅速发展，尤其是啁啾脉冲放大技术(CPA)的发明(图1．1)而迅速发展的学科。这个发展起来的新兴学科，它是激光核聚变和武器物理、X射线激光、以及激光驱动粒子加速等重大应用的学科基础。强激光等离子体物理学研究内容主要包括有激光在等离子体中的传输和吸收、等离子体波的激发、激光等离子体参量不稳定2第一章绪论性、超热电子的产生和运输、自生磁场的产生等丰富的等离子体集体现象和非线

8、性效应。当今国际前沿主要包括三个方面：超短脉冲强激光与等离子体相互作用；激光与大尺度等离子体的相互作用；激光驱动粒子加速物理的研究。强激光与等离子体相互作用的参数范围非常大，因此，他们之间的各种总相互作用过程非常复杂。其中，最具有决定性因素的参数是激光强度和等离子体密Fig．1一lSchematicdiagramoftlle锄plifiersystenlbasedonchi叩ed-pulse锄plification图1．1CPA放大系统示意图度。激光强度，或激光聚焦功率密度，定义为