激光等离子体相互作用的局域振荡电子加热机制

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1、!第"#卷!第"期强激光与粒子束$%&’"#，(%’"!!)**+年"月,-.,/0123456235(7/538-942:25;6<=>’，)**+!文章编号：!"**"?@A))（)**+）*"?**BA?*+!激光等离子体相互作用的局域振荡电子加热机制""")"马燕云，!常文蔚，!黄!卫，!卓红斌，!银!燕（"!国防科学技术大学理学院，湖南长沙@"**#A；!)!国防科学技术大学计算机学院，湖南长沙@"**#A）!!摘!要：!用)’+维粒子模拟程序模拟了超强激光与等离子体的相互作用过程，发现超强激光可以通过!C"加热机制加速电子并引起电荷分离，从而

2、产生很强的静电场并形成电场势阱，电子在静电场势阱中振荡，被多次加速，使得高速电子被甩出势阱，进而增强电荷分离，然后静电场结构被破坏，静电势能传给电子。在此过程中，电子在此阱中作局域振荡，并且被!C"机制多次加速，激光的能量会有效地传给电子，使电子能量高达"*;D$。这是一种新的电子加热机制，称之为局域振荡电子加热机制。!!关键词：!激光等离子体相互作用；!粒子模拟；!电子加速；!局域振荡!!中图分类号：!0+A)’)!!!!文献标识码：!5［"］!!超强激光与等离子体相互作用时，会出现许多在较低强度激光下没有的现象，如钻孔，自生磁场等等。［)］对激光核聚

3、变，特别是“快点火”方案的研究，使得人们对于激光等离子体相互作用过程中等离子体的能量［A］［@］［+］吸收机制怀有浓厚的兴趣，如共振吸收，反常表面加热，真空加热，!C"加热等。这几种加热机制的特征各自不同：共振吸收是/极化激光（电场!平行于入射面）在临界面附近发生共振，激发等离子体波而发生的一种反常吸收；反常表面吸收是激光垂直入射于过密等离子体时，电子离开等离子体表面薄层（该薄层内电磁场不为零）的过程中，可以从电磁波中获得能量而得到加热；真空加热是指当/偏振激光斜入射到等离子体（其密度标长"E!）上时，真空等离子体表面的电子被光场的垂直于界面的分量“拉”

4、入真空中而振荡加热；!C"加热是电子在巨大的入射激光场中产生强烈的相对论振动，并受到很大的纵向洛仑兹力，从而产生加速。可以看出，反常表面吸收是激光与过密等离子体作用时发生的，真空加热是激光斜入射时发生的。本文所提出的能量吸收机制，其起因虽然是!C"机制，但因为除了在等离子体中形成了电场势阱，电子在该势阱中被多次加速至高能状态的过程外，还有一个激光能量转化为静电场（波）、静电波再把能量交给等离子体的过程，因此是一种新的反常能量吸收机制。!!我们使用粒子模拟方法来研究强激光与等离子体的相互作用。由于超强激光引起的强相对论效应和强非线性效应，使得解析研究异常困

5、难，同时由于超快过程的短时特性，实验研究也有一定的困难，而粒子模拟方法特别适合求解强相对论和强非线性问题，目前是一种重要的研究手段。"#计算条件［F］!!本文采用)7A$全电磁含碰撞的相对论电子和离子的/-9程序，所取的)维（#，$）系统尺寸为B!*CB!（*激光在真空中的波长!*G"’*F!H），分成)+FC)+F个网格，初始等离子体在#GA%+!*I#%+!*是线性分布，密度从*增长到A&（J&J为等离子体的临界密度），在#G#%+!*IB!*处是均匀分布，其密度为A&J，#G*IAK+!*为真空。#方向的左边场边界为4L>MH=>边界，右边界为良导

6、体边界，$方向为周期性边界条件。线极))"B化激光从左边界（#G*）处垂直入射，其强度在$方向，呈高斯分布，’G’*DNO［P（$P$*）()"］，’*G+’*C"*)1QJH，$*G"$()，"为束的半宽度，模拟中取"G!*，激光在时间上是一个有正弦函数上升沿其后强度保持不变的激光脉冲，上升沿持续时间为@*RS。初始时刻粒子速度为;=NTD&&分布，初始电子温度为@UD$，离子温度是电子温度的"QA，离子与电子的质量比为"BAF。$#模拟结果及其分析!!超强激光在等离子体中传播时，在临界密度以下区域，激光能够直接进入，在临界密度附近，激光被等离子体反射

7、。激光在和等离子体的作用过程中，一部分电子被加速而引起电荷分离并产生静电场形成静电势阱，高!收稿日期：)**@?*A?)V；!!修订日期：)**@?*#?)A基金项目：国家BFA计划项目资助课题；国家自然科学基金资助课题（"**B+**)）万方数据作者简介：马燕云（"V#+—），男，博士，讲师，从事激光等离子体相互作用方面的研究。D-强激光与粒子束第%’卷速电子可以逃逸出此势阱进而增强电荷分离，电子可在此静电势阱中振荡并被加速，最后静电势阱被破坏把能量交给等离子体。此物理过程与!!"加热机制有很密切的关系。!!"加热机制在该过程中起着驱动源的作用，是电子

8、加速的原动力。""根据!!"机制对电子的加速的贡献，我们可以把整个物理过程分为三