激光与等离子体相互作用

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1、激光与物质相互作用朱海红武汉光电国家实验室激光部Tel:027-87544774,13016467839Email:zhuhh@mail.hust.edu.cnLaser-MatterInteraction回忆等离子体及特性带电粒子+中性粒子准中性集体行为，最小尺度为德拜长度等离子体振荡：langmuir波Saha方程：热平衡下，气压、温度和电离势的关系回忆激光等离子体的产生机理热驱动：高功率激光作用于金属表面，产生蒸汽、蒸汽易电离、自由电子吸收激光、进一步电离—高功率+金属光电离：1个或者数个短波长激光光子被环境气体中的原子吸

2、收，由于光子能量大于电离势—单光子：紫外；多光子：波长小于1m电子崩或级联电离：环境气体中的自由电子吸收激光能量，运动速度加快发生非弹性碰撞，产生电子崩，电子密度呈指数增长---环境气体+长波激光。混合机制:竞争及耦合等离子体点燃时间什么时候产生等离子体？1、袁钢等人(1988)归纳了国外的大量实验数据，提出了激光等离子体点燃的经验判据是：只与激光本身有关（光强、波长、脉冲宽度）与靶表面特性无关？？等离子体点燃时间什么时候产生等离子体？2、假设激光气化开始时间作为点燃时间。可见等离子体点燃时间在ns量级等离子体点燃时间什么时候

3、产生等离子体？3、从Saha方程出发，从电子密度变化来考虑，通常认为达到下述条件就是等离子体点燃时间。视频1精确地写出等离子体点燃阈值的统一公式似乎是不可能视频2高功率激光作用时熔深并不随激光功率增加正比增加，功率增加到一定程度，熔深增加缓慢高功率激光作用时等离子体屏蔽激光辐照蒸汽吸收激光蒸汽电离等离子体等离子体膨胀等离子体吸收激光到达靶面能量减少传播、吸收、散射、折射§4.2:激光与等离子体相互作用1、常铁强等，激光等离子体相互作用与激光聚变，湖南科学出版社，19912、陆建等，激光与材料相互作用物理学，机械工业出版社，199

4、63、左铁钏，高强铝合金的激光焊接，20024、ShalomEliezer，TheInteractionofHigh-PowerLaserswithPlasmas，InstituteofPhysicsPublishingBristolandPhiladelphia，2002激光与等离子体相互作用质量如何，能量都用来干什么了----传到哪儿去了？激光应用有多少激光能量会被靶等离子体吸收－－靶吸收了多少激光能量？-----能不能传，传多少核聚变希望能量传给热电子而不是超热电子核聚变和激发X射线希望能量被等离子体吸收；而激光焊接则不希

5、望激光能量被等离子体吸收激光与等离子体相互作用也可以与等离子体的横波（电磁波）和纵波（静电和离子声波）相互作用激光？？可以直接与等离子体的粒子相互作用激光在等离子体中的传播等离子体的频率：激光是横波（电磁波）当：激光在等离子体中传播其频率和波数k必须满足色散关系(参考文献1第一章第二节）：则：激光在等离子体中的传播临界密度:等离子体频率等于激光频率时的等离子体密度则激光传播因子：振幅随空间很快衰减激光只能在密度低于临界密度的等离子体中传输，否则会被全部反射。如果激光频率低于等离子体频率，激光将无法传播。激光在等离子体中的传播

6、：激光波长m激光波长越短，临界密度越高激光CO2YAG二倍频三倍频飞秒10.6m1.06m532nm355nm880nm10191021等离子体临界密度/cm3焊接光致等离子体密度/cm3传输特性CO2激光10191015～1017可激光在等离子体中的传播焊接时，CO2激光可在其诱导的等离子体中传播激光与等离子体相互作用示意图等离子体中电子密度小于临界密度的区域称为晕区激光只能在晕区中传播激光在等离子体中的传播晕区大小：对于s级的脉冲激光，晕区厚度在mm量级；在密度不同的等离子体中传播的激光，其波长会随着密度的变化而相应

7、变化，因为激光频率在传播过程中可以认为是不变的激光在等离子体中的传播在激光传播的时间间隔内，等离子体状态可以近似认为不变只有当等离子体的状态变化很剧烈，在其中传播的激光频率才会产生有意义的变化激光在等离子体中的传播必须同时考虑吸收激光在等离子体中的传播正入射：激光传播方向与等离子体电子密度梯度方向一致斜入射：激光传播方向与等离子体电子密度梯度方向不一致极化方向：激光电场强度E的方向P极化：极化方向在激光传播方向和等离子体电子密度梯度方向组成的平面内S极化：极化方向垂直于激光传播方向和等离子体电子密度梯度方向组成的平面激光产生的等

8、离子体密度通常是不均匀的几个概念激光在等离子体中的传播几个概念群速度相速度则高等光学激光在等离子体中的传播正入射的激光可以到达临界面斜入射的激光束不能达到临界面，而将在某个低于临界电子密度的地方转向－－折返点，此处电子密度：激光只能在x<0的区域内传播激光在等离