第二节激光与等离子体相互作用.

设计：李波激光与物质相互作用朱海红武汉光电国家实验室激光部Tel:027-87544774,13016467839Email:[e-mail]-MatterInteraction设计：李波回忆等离子体及特性带电粒子+中性粒子准中性集体行为，最小尺度为德拜长度等离子体振荡：langmuir波21/20()epenemSaha方程：热平衡下，气压、温度和电离势的关系设计：李波回忆激光等离子体的产生机理热驱动：高功率激光作用于金属表面，产生蒸汽、蒸汽易电离、自由电子吸收激光、进一步电离—高功率+金属光电离：1个或者数个短波长激光光子被环境气体中的原子吸收，由于光子能量大于电离势—单光子：紫外；多光子：波长小于1m电子崩或级联电离：环境气体中的自由电子吸收激光能量，运动速度加快发生非弹性碰撞，产生电子崩，电子密度呈指数增长---环境气体+长波激光。混合机制:竞争及耦合设计：李波等离子体点燃时间什么时候产生等离子体？1、袁钢等人(1988)归纳了国外的大量实验数据，提出了激光等离子体点燃的经验判据是：236.02/13/210)5.195.0(tP只与激光本身有关（光强、波长、脉冲宽度）与靶表面特性无关？？mstcmWP::/:2设计：李波等离子体点燃时间•什么时候产生等离子体？])([)1(000nVLTTcdtPA2、假设激光气化开始时间作为点燃时间。可见等离子体点燃时间在ns量级8.0),./(3.1/400,2767AKgJcgJLKTtnV对于纯铝，nstmdcmWPnstmdcmWP12.0,/101002.0,/10:02900270时，时，若设计：李波等离子体点燃时间•什么时候产生等离子体？31810cmneKT65003、从Saha方程出发，从电子密度变化来考虑，通常认为达到下述条件就是等离子体点燃时间。视频1精确地写出等离子体点燃阈值的统一公式似乎是不可能视频2设计：李波高功率激光作用时熔深并不随激光功率增加正比增加，功率增加到一定程度，熔深增加缓慢设计：李波高功率激光作用时等离子体屏蔽激光辐照蒸汽吸收激光蒸汽电离等离子体等离子体膨胀等离子体吸收激光到达靶面能量减少传播、吸收、散射、折射设计：李波§4.2:激光与等离子体相互作用1、常铁强等，激光等离子体相互作用与激光聚变，湖南科学出版社，19912、陆建等，激光与材料相互作用物理学，机械工业出版社，19963、左铁钏，高强铝合金的激光焊接，20024、ShalomEliezer，TheInteractionofHigh-PowerLaserswithPlasmas，InstituteofPhysicsPublishingBristolandPhiladelphia，2002设计：李波激光与等离子体相互作用质量如何，能量都用来干什么了----传到哪儿去了？激光应用有多少激光能量会被靶等离子体吸收－－靶吸收了多少激光能量？-----能不能传，传多少核聚变希望能量传给热电子而不是超热电子核聚变和激发X射线希望能量被等离子体吸收；而激光焊接则不希望激光能量被等离子体吸收设计：李波激光与等离子体相互作用也可以与等离子体的横波（电磁波）和纵波（静电和离子声波）相互作用激光？？可以直接与等离子体的粒子相互作用设计：李波激光在等离子体中的传播2222kcp21/20()epenem等离子体的频率：2k激光是横波（电磁波）22p当：激光在等离子体中传播其频率和波数k必须满足色散关系(参考文献1第一章第二节）：20,kkik则：设计：李波激光在等离子体中的传播临界密度:等离子体频率等于激光频率时的等离子体密度exp()exp()ikxitkxit则激光传播因子：振幅随空间很快衰减激光只能在密度低于临界密度的等离子体中传输，否则会被全部反射。如果激光频率低于等离子体频率，激光将无法传播。设计：李波激光在等离子体中的传播22102210ecmne：激光波长m激光波长越短，临界密度越高激光CO2YAG二倍频三倍频飞秒10.6m1.06m532nm355nm880nm10191021cn设计：李波等离子体临界密度/cm3焊接光致等离子体密度/cm3传输特性CO2激光10191015～1017可激光在等离子体中的传播焊接时，CO2激光可在其诱导的等离子体中传播设计：李波激光与等离子体相互作用示意图等离子体中电子密度小于临界密度的区域称为晕区激光只能在晕区中传播激光在等离子体中的传播晕区大小：c几倍：脉宽声速：等离子体速度PV对于s级的脉冲激光，晕区厚度在mm量级；设计：李波在密度不同的等离子体中传播的激光，其波长会随着密度的变化而相应变化，因为激光频率在传播过程中可以认为是不变的激光在等离子体中的传播在激光传播的时间间隔内，等离子体状态可以近似认为不变只有当等离子体的状态变化很剧烈，在其中传播的激光频率才会产生有意义的变化激光在等离子体中的传播必须同时考虑吸收设计：李波激光在等离子体中的传播正入射：激光传播方向与等离子体电子密度梯度方向一致斜入射：激光传播方向与等离子体电子密度梯度方向不一致极化方向：激光电场强度E的方向P极化：极化方向在激光传播方向和等离子体电子密度梯度方向组成的平面内S极化：极化方向垂直于激光传播方向和等离子体电子密度梯度方向组成的平面激光产生的等离子体密度通常是不均匀的几个概念设计：李波激光在等离子体中的传播几个概念群速度相速度2/122)/1(/pegckv221/2//(1/)ppevkc2.gpvvc则高等光学设计：李波激光在等离子体中的传播正入射的激光可以到达临界面斜入射的激光束不能达到临界面，而将在某个低于临界电子密度的地方转向－－折返点，此处电子密度：cosecnn激光只能在x0的区域内传播设计：李波激光在等离子体中的传播模型1、假设为绝热气体膨胀：必须从能量观点出发，运用靶边界条件去求解激光传播方程1、蒸汽等离子体膨胀过程常数P常数2rVdrddrdVV但对于调Q激光器，气化厚度为1m的Al靶表面所需时间为ns量级，即气化只会消耗激光脉冲的部分能量，而余下的激光脉冲能量还会对蒸汽继续发挥作用，点燃等离子体，产生冲击波……设计：李波激光在等离子体中的传播方程2、一维激光能量传播模型[2]：蒸汽等离子体向真空膨胀视为一维膨胀；忽略散射和热传导，考虑靶表面蒸汽的热辐射；考虑靶表面的反射效应；认为蒸汽等离子体处于局部热力学平衡；设计：李波激光在等离子体中的传播方程2、一维激光能量传播方程：忽略散射和热传导，一维传播方程为：)1(PdxdP传播路径：吸收系数；：气体发射率；激光功率密度::xP)2()(TB由基尔霍夫定律：发射频率:)3(1)exp(12)(23kThcTB绝对黑体辐射函数:)(TB设计：李波激光在等离子体中的传播方程2、一维激光能量传播方程：将(2)代入(1)：)4()(1PTBdxdP若已知，则可以对(4)进行积分，从而得到P(x)。定义蒸汽等离子体中x0和x之间的光学厚度为：研究高温等离子体所产生的热辐射过程)5(),(0'0xxdxxx则(4)可以改写成：)6()(PTBddPdxd设计：李波激光在等离子体中的传播方程2、一维激光能量传播方程：x0为蒸汽等离子体边界：)7()(00PxP)8()exp()exp(.)()exp()()(0000'''''0xxxxxxxxdxdxdxTBdxxPxP(6)为一个非齐次的线性方程，根据边界条件，可求得的解析解为：设计：李波激光在等离子体中的传播方程2、一维激光能量传播方程：对于蒸汽等离子体，B(T)与x无关，设为常数，x0=0，则(8)可以改写成：)8()]exp(1)[()exp()0()(xTBxPxP假设靶表面没有反射、等离子体温度一样设计：李波激光在等离子体中的传播方程多层蒸汽等离子体二维、三维考虑靶表面发射边界条件考虑等离子体内部温度差异：多温电子等离子体3、其它设计：李波激光在等离子体中的传播方程BtE()eeiijenunzu3、其它由波的传播Maxwell方程+流体力学方程+边界条件tEcjcB22011其中电流密度j，决定于等离子体的电子、离子的运动。用流体力学近似描述：,:,:eieinnuuz电子、离子密度；相应的平均速度：电离度设计：李波激光在等离子体中的传播方程密度和速度由流体力学方程给出：质量守恒、动量守恒和能量守恒,,,()0eieieinnut1()()eeeeieieeedeupEuBuudtnmm12()()eeiiieieiiiiiinmdeupEuBuudtnmmnm,:eieipp电子流和离子流的分压力：电子－离子碰撞频率+边界条件3、其它设计：李波激光在等离子体中的吸收机制：正常吸收+反常吸收等离子体通过多种机制吸收在其中传播的激光能量，使自己的温度升高，电离度增大。正常吸收：即逆韧致吸收，电子在激光电场作用下发生高频振荡，并且以一定概率与粒子（主要是离子）相碰撞，把能量交给比较重的粒子（离子和原子），从而使等离子体升温的过程。设计：李波激光在等离子体中的吸收逆韧致吸收----等离子体吸收激光能量的重要机制逆韧致吸收：又分为线性吸收（电子速度为marxwell分布及非线性（电子速度分布与激光电场有关）。非线性逆韧致吸收发生在激光强度足够高时。设计：李波激光在等离子体中的吸收反常吸收非碰撞机制，使激光能量转化为等离子体波能量的过程。这些波所携带的能量通过各种耗散机制转化为等离子体热能，也会使等离子体升温。反常吸收分共振吸收和多种非线性参量不稳定性产生的吸收两类共振吸收：在临界面附近将P极化激光束的能量转化为电子Langmuir波能量参量不稳定性：可视为激光能量衰变成其它波的过程，包括不同的于激光频率的电磁波（散射）设计：李波激光在等离子体中的吸收各种机制相互竞争和耦合对于短波长激光，碰撞吸收是主要的，它抑制了其它吸收过程m35.0设计：李波经典的两体碰撞理论：受外场作用的自由电子将具有加速度并能发射和吸收电磁波。忽视离子的能量变化，由动量守恒、能量守恒可得等效吸收系数：和激光频率的平方成反比---波长的平方成正比？？和等离子体温度的3/2次方成反比激光吸收和等离子体密度的平方成正比激光在等离子体中的吸收2/32/123026)()2(361kTmmnnzeeeieV线性逆韧致吸收[1]设计：李波激光在等离子体中的吸收线性逆韧致吸收等效吸收系数为：将：220cenem代入：cBeceVnTkmnnze2/32/12004)()2()/(361)(10221mncieznn由于对激光波长是缓变的cenn激光吸收系数近似和波长平方成反比设计：李波激光在等离子体中的吸收线性逆韧致吸收短波长激光，临界密度大，即激光可以传播到更高等离子体密度的地方，导致更多吸收—距离远设计：李波激光在等离子体中的吸收线性逆韧致吸收考虑量子效应和多体碰撞，Dawson等计算得线性吸收系数为:ln:库仑对数的某种平均值,是考虑电子频蔽对韧致过程影响后所采用的与激光频率无关的因子21213/2ln(/)()2.91101/()ecceceZnnncmnnTkeV与等离子体温度有关221/1/)(pVccm设计：李波激光在等离子体中的吸收线性逆韧致吸收逆韧致吸收和靶物质及其电离度、激光波长、等离子体的温度有较敏感的关系。实验和数值模拟表明Te随激光强度而增加，随波长的减小而减小设计：李波应