激光等离子体相互作用产生的非线性力——有质动力.pdf

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1、激光等离子体相互作用产生的非线性力张子吴(驻马店市高级中学，河南驻马店463000)摘要：空间分布不均匀的激光脉冲在真空或等离子体中会产生一个非线性有质动力，而有质动力在激光等离子体相互作用中有重要的作用，它可以加速带电粒子，促使激光等离子体各种不稳定性的发展等。本文将通过理论分析，求解非相对论和相对论下的有质动力表达式，并进一步讨论有质动力表达式的适用范围以及有质动力在激光等离子相互作用过程中所能引起的作用。关键词：激光；等离子体；有质动力，密度涨落1985年Mourou等人提出的啁啾放大技术(CPA)”1使激光脉冲的峰值强度提

2、高了几个数量级，脉宽也由皮秒缩至飞秒，聚焦到微米量级的焦斑范围内，光强远超过。这样的激光可以在真空91或等离子体内91加速而得到高能电子。在单色平面激光场中，光场的上升沿加速捕获电子，使电子得到能量，但是，光场的下降沿会使电子减速，加速和减速过程相互抵消，从平均作用效果来看，电子是不能够从激光场中带走能量而被加速的”1。对于有一定空间分布的激光脉冲而言，光场的空间分布并不均匀，电子在一个周期内的运动不能抵消，会产生一个非线性的场梯度压力，即有质动力。在激光等离子相互作用过程中，非线性有质动力的存在使整个物理过程更加复杂化。首先，有

3、质动力可以加速电子，Harteman等人”1和刘全等人m都分别在他们的文章里详细的研究了相对论有质动力散射加速电子问题，而加速的电子可以与激光作用进而产生相干x射线等。其次，有质动力在激光聚变物理过程中还会促使激光等离子体各种不稳定性的发展，入射激光波振荡使初始电子密度扰动产生一个横流，进而产生一个散射电磁波，入射波和散射波相互作用产生有质动力将加强初始密度扰动，这种反馈机制可以放大等离子体波和散射电磁波，甚至激发受激Raman散射过程41。再者有质动力对等离子体密度的调制还可以引起激光自聚焦、成丝效应等集体相互作用过程，增加反常

4、吸收机制，产生超热电子等翻。这些电子束可应用于离子加速、天体物理实验、x射线的产生和正负电子对在高z靶材中的产生等方面。本文采用单电子模型，从电子的动能量微分方程出发，从理论和模拟两个方面讨论平面波与电子相互作用时，电子的轨迹方程和动能量变化规律，并进一步讨论了相对论强度激光加速电子的过程。1理论推导有质动力的理论推导方法并不唯一，可以采用单粒子理论、流体理论和动力学理论等，我们在下文中通过流体力学理论推导有质动力的表达式。1．1非相对论下的有质动力式在激光等离子体中，光波电场压力的变化能产生有质动力，有质动力引起电子密度变化，会

5、带来密度的涨落，进而自洽的产生离子密度的涨落。对于一个空间分布不均匀的高频光场，假定其电场表达式为：一E=一EL(；)·COSO)￡t。将等离子中的电子和离子当作两种流体处理，由于离子质——有质动力量远远大于电子，对高频激光，有∞c》∞，》￡-0"其中，∞，=、／尘警孚为电子(离子)的本征振荡频率，将电子作为流体，讨论其对高频场的响应。考虑Vx面=一旦．票(c为光速)，可以推出磁场强度B的表Cd￡达式，如下：百=一舌‘V×瓦(功sincc，‘忽略电子压力，有电子的运动方程为：虹ot—kt,瓦一珈孙学j对上面非线性耦合式子，先考虑一

6、级项，即有：垫ot!=一旦m·瓦(；)c。s∞。t—L、。’，。⋯。L。可以解得：p。，=一掣·sin吼t进而考虑二级项：m。以。耻。。=j弓·EL"VE。sin2cot，将一级m．03，项和磁场表达式带入求解可得：一缸，湖一去峨×(VxEL)sin2州由数学公式圭踞。2=邑·踞。+E。xⅣ×E。)，考虑集体过程，有：化等=詈‘既∽+只其中，n。代表电子密度，E为有质动力，再一步化简得：‘一鲁2·V嘉[1-c。s㈨棚】该式求平均后为：<。>t=鲁·V嚣。1．2相对论下的有质动力式当激光强度超过10”W／cm2时，需要考虑相对论效应

7、，进行相对论修正。将场强E和磁场强度B用电矢量A来表示，采用洛伦兹规范，有E=-掣和B=-v×A：(0，一娑，娑)。此时，电Otd算d菇。子在光场中的受力方程可以简写为：瓦Op+‘可p·V)；=昙·丛Ot—ie了P×V×五对于非线性有质动力项(二阶及以上项)，可得到：C=一旦×Ⅳ×A)一一PcymTm×即，、，j结合一阶项结果；=A一，y=研和数学关系式去Vp2=p·Vp+p×Ⅳ×p)，化简可得：Fp=一僦2Vy2结语从平均效果来看，有质动力其实是一个高频场产生的低频(1：转第96页)94J化善虿裙2017年01月的调动起来，进而

8、提高教学的效果和质量。2．3鼓励探讨，加强互动如果在实验的过程中出现问题，应让学生们进行自行分析和探究，这样就能够对问题进行非常细致的剖析，提高学生之间的配合和沟通，也可以培养学生们的团结合作精神。2．4严格要求，提高科学素养学生们在实验的时候，对