高斯光束在等離子體中非線性傳輸特性的理論研究.pdf

1、激光與等離子體相互作用一直是科學(xué)工作者關(guān)注和研究重點(diǎn)方向。隨著激光技術(shù)發(fā)展日趨成熟,激光強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到22210Wcm,在如此強(qiáng)度電磁場(chǎng)作用下,激光與物質(zhì)相互作用中各種非線性效應(yīng)都可以被激發(fā)出來(lái)。作為一種具有特殊組成結(jié)構(gòu)物質(zhì),等離子體內(nèi)部帶電粒子對(duì)外界電磁場(chǎng)響應(yīng)及整體流動(dòng)性使其顯示出奇特物理性質(zhì)。且隨著各種人工等離子體出現(xiàn),等離子體技術(shù)及應(yīng)用也已經(jīng)深入到眾多前沿領(lǐng)域。激光在等離子體中傳輸自聚焦特性對(duì)激光驅(qū)動(dòng)核聚變“快點(diǎn)火”、電磁輻射、激光

2、驅(qū)動(dòng)加速器等應(yīng)用都有重要影響。本論文將選取高斯光束在等離子體中傳播為背景,研究不同激光和等離子體參量及非線性相互作用對(duì)傳輸特性影響。
　　首先我們研究等離子體電子溫度對(duì)高斯激光光束在弱電離碰撞低溫等離子體中傳輸特性影響。我們采用經(jīng)典弱電離碰撞等離子體相對(duì)介電函數(shù),考慮等離子體電子溫度通過(guò)歐姆加熱受到激光電場(chǎng)調(diào)制,激光在碰撞非線性和衍射發(fā)散作用下傳播。采用WKB方法,將激光傳輸方程化簡(jiǎn)為光斑半徑無(wú)量綱參量的二階微分方程,并對(duì)其進(jìn)行數(shù)

3、值求解。通過(guò)考慮初始等離子體電子溫度分布情況,包括空間均勻分布、線性變溫以及不同變化特征長(zhǎng)度,研究激光在等離子體中傳播非線性特征溫度效應(yīng)。
　　其次從激光和等離子體相互作用有質(zhì)動(dòng)力非線性出發(fā),采用Drude模型,并定義復(fù)光程函數(shù)來(lái)推導(dǎo)高斯光束在等離子體中傳播方程。有質(zhì)動(dòng)力能夠改變等離子體電子密度空間分布,改變等離子體有效介電函數(shù)分布,產(chǎn)生聚焦非線性效應(yīng)。等離子體電子碰撞頻率是Drude模型中引起介電損耗關(guān)鍵因素,我們通過(guò)考慮不同初

4、始等離子體電子碰撞頻率情況(空間均勻分布和碰撞頻率受電子密度調(diào)制),討論激光傳輸特征變化,具體包括激光光斑半徑、激光電場(chǎng)強(qiáng)度、激光傳播距離、等離子體電子密度及碰撞頻率分布。
　　在考慮強(qiáng)激光入射并激發(fā)相對(duì)論效應(yīng)條件下,我們討論了高斯激光光束在等離子體中傳輸特征變化。在相對(duì)論修正下,等離子體頻率和等離子體電子碰撞頻率受到強(qiáng)激光電場(chǎng)強(qiáng)度調(diào)制,導(dǎo)致等離子體折射率沿徑向不均勻分布,產(chǎn)生正透鏡效果。高斯激光在相對(duì)論聚焦非線性、衍射發(fā)散和電子

5、碰撞引起介電損耗作用下傳播。我們分別考慮低密度、臨界密度和過(guò)稠密度等離子體三種情況,并具體分析了激光能夠在過(guò)稠等離子體中連續(xù)傳播臨界條件和激光光斑尺寸。
　　利用高溫等離子體有效介電函數(shù)模型,研究高斯激光光束在高溫等離子體中傳輸特征變化。由于高溫等離子體具有不同于低溫等離子體介電性質(zhì)和溫度效應(yīng),我們分別考慮有質(zhì)動(dòng)力非線性和相對(duì)論非線性兩種情況。通過(guò)研究介電函數(shù)分解項(xiàng)2ε及激光自陷傳輸初始條件曲線,可以將激光和等離子體非線性相互作用