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《小焦斑纳秒激光烧蚀铝平面靶的数值研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、第26卷第10期强激光与粒子束Vol.26,No.102014年10月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct.,2014*小焦斑纳秒激光烧蚀铝平面靶的数值研究龙城德1,2,赵斌1,2,袁鹏1,2,胡广月1,2,郑坚1,2(1.中国科学技术大学近代物理系,合肥230026;2.中国科学技术大学中国科学院近地空间环境重点实验室,合肥230026)摘要:用二维辐射流体程序Flash模拟了小焦斑纳秒激光与铝平面靶的相互作用过程,其中入射激光的聚焦半径为25μm,峰值强度约为10132,波长为532nm。模拟发现激光通道上的等离子体出现了密W/c
2、m度排空的现象,激光焦斑外侧出现环状的射流结构。激光通道上密度排空现象对电子热输运的计算较为敏感,对比干涉实验测量的密度分布,确定了模拟中限流因子的取值为0.08。通过考察辐射致冷与电子横向热输运对等离子体膨胀运动的影响,对环状射流结构的形成原因给出了物理解释,并在模拟上验证了辐射冷却在其形成过程中的主导作用。关键词:辐射流体程序Flash;激光烧蚀;辐射冷却;电子热输运;环状射流中图分类号:O53文献标志码:Adoi:10.11884/HPLPB201426.102005激光与固体靶的相互作用包含着丰富的物理过程,主要有激光吸收、电子的能量输运、辐射场与等离子体
3、的相互作用、流体力学演化等。这些物理过程也同样存在于惯性约束聚变、高能量密度物理以及天体物理中,如:激光间接驱动过程中烧蚀金腔壁产生等离子体的流体力学演化,黑腔辐射场与腔壁等离子体的相互作用过[1]程;天体物理中新恒星的射流现象与激光烧蚀固体靶产生的等离子体射流具有很多的共性,通过标度变换相关联,可以类比研究。因此,细致研究激光烧蚀固体靶中的物理过程,揭示其中的物理规律,对于认识和理解惯[2-3]性约束聚变、高能量密度物理以及天体物理中的等离子体演化行为具有重要的参考意义。在激光烧蚀固体靶的相互作用过程中,冕区等离子体的演化行为是大家感兴趣的研究对象之一。结合不[
4、4-10][4]同的激光装置参数,人们开展了许多相关的实验和模拟研究。O.Barthélemy等人用焦斑为600μm的[6]纳秒光烧蚀铝靶,实验观测到了等离子体半球形稀疏演化结构;M.Börner等人利用多分幅干涉仪同时测量了冕区等离子体的电子密度时间演化和空间分布,并且观测到等离子体膨胀过程中产生的环形射流。在模拟[7]2方面,S.Laville等人通过一维流体程序模拟了辐照通量约10J/cm的情况下,激光烧蚀铝靶产生等离子体的演化过程,研究了不同脉宽对产生等离子体温度、密度分布的影响。P.Nicolaï等人结合实验和二维的辐射流体力学模拟,研究了单束激光烧蚀过
5、程中等离子体射流的形成条件,考察了等离子体中的辐射冷却效应对冕[11-12]区流体力学演化的重要影响,同时还考察了自生磁场、焦斑半径、靶材料等因素对等离子体演化的影响。模拟激光烧蚀固体靶的相互作用过程通常需要借助辐射流体模拟程序,本文利用芝加哥大学开发的[13]Flash程序作为模拟工具,结合本小组的相关实验观测对激光烧蚀铝靶的等离子体演化过程进行了模拟分析。Flash是一个可以考虑激光逆轫致吸收、电离过程、多群辐射输运、状态方程等多个物理过程的欧拉程序。为了对比本小组的实验参数,本文用Flash程序模拟了聚焦半径为25μm、峰值强度约10132的二倍频W/cmN
6、d:YAG激光(波长λ=532nm)烧蚀铝靶的过程。另外,还模拟了不同焦斑大小的激光烧蚀过程,分析了辐射冷却和电子横向热输运对等离子体膨胀运动的影响,对模拟和实验观测到的环状射流结构给出了细致的物理分析和解释。通过关闭这一烧蚀过程计算中的辐射输运过程,对比验证了辐射冷却对冕区等离子体演化的重要影响。1模拟出发方程[13]Flash是一个源代码公开的可以考虑多物理过程、多时空尺度范围的辐射流体程序,目前发展的Flash[14-15]程序已具备模拟激光驱动的高能量密度物理实验过程的能力。现对这一模拟程序的物理模型进行简要的*收稿日期:2014-04-21;修订日期:2
7、014-06-01基金项目:国家自然科学基金项目(10625523,11005112,11175179);教育部创新团队发展计划资助项目(ITR1190)作者简介:龙城德(1989—),男,硕士研究生,主要从事激光等离子体相互作用的流体力学模拟研究;longcd@mail.ustc.edu.cn。通信作者:赵斌(1980—),男,副教授,主要从事激光等离子体物理的数值模拟研究;zhaobin@mail.ustc.edu.cn。102005-1强激光与粒子束介绍。模拟程序中求解的流体力学方程组为∂ρ+Ñ·(ρv)=0(1)∂t∂ρv+Ñ·(ρvv)+ÑPtot=0(
8、2)∂t∂
