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超短脉冲激光与物质相互作用中电子行为的研究

作　者: 陈黎明
导　师: 江文勉；张杰
学　校: 中国工程物理研究院北京研究生部
专　业: 粒子物理与原子核物理
关键词: 超短脉冲激光快点火激光模拟核聚变超热电子电子能谱磁谱仪角度分布发散角密度标长团簇库仑爆炸高次谐波隧道电离 ADK理论电离率
分类号: O562.4
类　型: 博士论文
年　份: 2000年
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内容摘要

本论文主要对超短脉冲激光与物质相互作用中电子的行为在几个方面进行研究。其中包括超短脉冲激光与固体靶作用中超热电子的能谱和角度分布，靶材料的电导率对电子行为的影响以及在不同的密度标长条件下超热电子和与电子相关的等离子体特征；超短脉冲激光与气体靶相互作用中与高次谐波相关的电子的具体运动规律和产生短波长高次谐波的优化条件；超短脉冲激光与团簇原子相互作用中通过对电子的隧道电离而引起的库仑爆炸等。这几个方面虽然相互间各有特点，但电子在超短激光脉冲中的行为或者是我们直接感兴趣的实验特征，或者是与实验现象紧密相关的。通过这些实验和理论研究，以期能对目前强场物理中两个重要的热点课题——快点火激光模拟核聚变和高次谐波中电子的行为有一定的新的认识。本文的主要内容及结果如下： 1、利用自行研制的电子磁谱仪测量了超短脉冲激光与固体靶相互作用中产生的超热电子的能谱。能谱呈双温Maxwell分布，在5×10¹⁵W/cm²的激光强度下固体靶产生的超热电子的最大能量超过500keV，并首次测量了电荷分离场的值及其对出射的超热电子能谱的影响。另外还给出了新型宽量程磁谱仪的概念设计。 2、利用电子能谱仪和照相乳胶系统地测量了各种实验条件下超热电子的运动方向。首次在实验中测量到射出靶面的超热电子呈空间定向发射。发射方向与等离子体密度标长和偏振方向密切相关：当入射激光为s偏振光时，超热电子沿偏振方向出射；当入射激光为p偏振光时，可分为有预脉冲和无预脉冲两种情况，有预脉冲时超热电子沿靶面的法线方向出射，无预脉冲时沿入射激光的反射方向出射。并且通过间接测量发现射入靶面内的超热电子基本上也呈定向入射，在有预脉冲p偏振激光作用下入射方向同样沿密度梯度的方向。另外我们还测量了不同能量的出射超热电子的发散角，结果显示能量越高的超热电子其发散角越小。 3、通过对绝缘材料和金属材料在激光作用下各种高能产物的差异的实验诊断，研究了靶材料对超热电子行为的影响。由于绝缘材料和金属材料在电导率陈黎明、超短脉冲激光与物质相互作用中电子行为的研究方面的巨大差异会对电荷分离场产生很大的影响并导致对激光能量吸收的差别，因此在实验中激光能量的吸收、超热电子的数量和温度以及硬二射线的产额等方面都会表现出很大不同。金属靶在上述各个方面均强于绝缘靶，这主要是由于绝缘靶的电导率极小使靶面上趋肤深度内的离子得以维持而阻碍了等离子体对激光能量的进一步吸收所造成的。这些结论得到数值模拟结果的验证。另外还发现了在金属靶中利用靶电位测量单发脉冲产生的电子总数的一种新的等离子体诊断方法。 4、研究了不同等离子体密度标长时超热电子的行为。当有预脉冲时，电子温度、激光能量吸收和硬X射线的产额等与密度标长密切相关，随主脉冲和预脉冲延迟时间的不同呈现出在0～300ps的延时区域内有三个吸收峰，分别对应不同的能量吸收机制；当没有预脉冲时，电子能谱、硬X射线能谱和能量吸收曲线均显示“真空加热”是主要的非线性吸收机制，也是产生了另外一群超热电子而使能谱同样呈现一种双温结构。这种结论得到了一维粒子模拟结果的验证。 5、对气体高次谐波的半经典理论进行了拓展，引入激光脉冲的磁场分量对气体原子中电子的影响，建立了高次谐波的二维半经典模型。利用此模型解释了气体高次谐波的许多特征及其在超短脉冲激光作用下所表现出的新特点，例如最高次谐波的能量随着激光脉冲宽度的减小而迅速升高以及谐波在最高能量段的“反常振荡”等实验现象。 6、结合Permoronov的电离率表达式，解析地给出了气体原子饱和电离激光强度与激光参量及气体原子参量的直接表达式，进而给出了产生短波长高次谐波条件的优化计算。同时指出气体原子在超短脉冲激光的作用下ADK电离理论已不再可靠。 7、当超短脉冲激光与团簇物质相互作用时，电子电离而使离子相互排斥产生“库仑爆炸”。我们测量了不同气压下团簇对激光能量的吸收以及电子及离子能谱，证实了实验中“库仑爆炸”的发生，并在～10‘’WCm的激光强度下测量到Xe的离于能谱，最高离于能量可达250keV。另外还验证了高信噪比的超短脉冲激光是团簇得以发生“库仑爆炸”的先决条件。

全文目录

第一章绪论  11-39
  1．1 强场物理研究概述  11-26
    1．1．1 快点火机制研究概述  11-22
    1．1．2 超短脉冲激光作用下的气体高次谐波  22-26
  1．2 研究状况及论文研究课题的提出  26-35
  参考文献  35-39
第二章超短脉冲激光与固体靶作用产生超热电子的能谱研究  39-51
  2．1 引言  39
  2．2 电子磁谱仪的设计方案及相应的参数  39-44
  2．3 对出射的超热电子的能谱测量  44-47
  2．4 全量程谱仪的概念设计  47-49
    2．4．1 设计方案  47-48
    2．4．2 关于宽量程磁谱仪的能量分辨率  48-49
  2．5 小结  49-50
  参考文献  50-51
第三章超短脉冲激光与固体靶作用中超热电子的角度分布  51-62
  3．1 引言  51-52
  3．2 实验布置  52-54
  3．3 实验结果  54-59
    3．3．1 s偏振光作用下超热电子的角度分布  54-55
    3．3．2 p偏振光作用下超热电子的角度分布  55-58
    3．3．3 射入靶面的超热电子运动方向  58-59
  3．4 小结及讨论  59-60
  参考文献  60-62
第四章超短脉冲激光与金属靶和绝缘靶相互作用的实验研究  62-72
  4．1 引言  62-63
  4．2 实验布置  63-64
  4．3 实验结果  64-69
  4．4 小结  69
  4．5 附录：利用靶电位测量离开金属靶的电子总数  69-70
  参考文献  70-72
第五章超短脉冲激光与固体靶作用中真空加热电子的研究以及密度标长对激光等离子体的影响  72-83
  5．1 引言  72-73
  5．2 实验布局  73-74
  5．3 结果及讨论  74-81
    5．3．1 能量吸收  74-75
    5．3．2 电子能谱  75-76
    5．3．3 1 2/2维PIC模拟  76-78
    5．3．4 超短脉冲激光与不同密度标长的等离子体作用的实验研究  78-81
  5．4 小结  81
  参考文献  81-83
第六章气体高次谐波的二维半经典理论  83-93
  6．1 引言  83
  6．2 理论模型  83-88
  6．3 结果及讨论  88-92
  6．4 小结  92
  参考文献  92-93
第七章产生短波长高次谐波条件的优化计算  93-102
  7．1 引言  93-94
  7．2 最高次谐波光子能量与激光参数的关系  94-96
  7．3 不同元素的饱和光强的计算  96-97
  7．4 高次谐波产生条件的优化计算  97-100
  7．5 结论  100-101
  参考文献  101-102
第八章超短脉冲激光与原子团簇的相互作用  102-119
  8．1 团簇物理概述  102-112
    8．1．1 引言  102
    8．1．2 团簇的基本概念及团簇的形成  102-104
    8．1．3 气体团簇的成核理论  104-106
    8．1．4 强激光场下团簇的电离和加热机制  106-109
    8．1．5 团簇膨胀机制  109-112
  8．2 团簇的能量吸收测量  112-114
  8．3 团簇产生的离子和电子能谱测量  114-117
  8．4 小结  117
  参考文献  117-119
第九章全文总结  119-124
  9．1 主要研究内容及研究成果  119-122
  9．2 论文的创新点及可进行的后续研究  122-124
致谢  124-125
博士期间论文发表情况  125

超短脉冲激光与物质相互作用中电子行为的研究

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