激光等离子体中一些基本过程及其应用郑春阳北京应用物理与计算数学研究所2008年10月16日北大I.基本概念II.黑腔激光等离子体相互作用过程（LPI）III.强场与“快点火”中LPIIV.激光天体物理I.基本概念（1）激光与非磁化等离子体相互作用主要涉及三种波：激光（电磁波）、电子等离子体波（Langmuir波）及离子声波（1）电磁波：ω2＝ωp 2+k 2c 2(光子似乎得到“质量”m*c 2=h ωp )ωL = ωp 对应n c =1.1×1021/λL 2cm -3(稀薄或稠密)(2)Langmuir 波: ω2＝ωp 2+3k 2λD 2（λD =v th,e / ωp ）存在条件：v ph =ω/k ﹥﹥v th,e (Landau 阻尼）（3）离子声波：ω＝c ia k, c ia =(Zk B T e /m i )1/2(ZT e /T i )1/2>1在实际应用中，对等离子体中存在的大量集体模式（波、不稳定性）的激发、非线性耦合、时空演化的理解是至关重要的。

I.基本概念（2）不同强度、波长的激光等离子体相互作用性质差异可以很大。

我们关心的是电子在激光电场中的振荡能量与它们的热能量可比较≈1021cm-3,T e≈1keV考虑：neI L～c|E L|2/8π～cn e K B T～1015W/cm2v osc>v e激光惯性约束聚变（ICF)激光装置产生的强度范围激光强度I～1018W/cm2,v osc～c属于相对论强场物理范围。

L激光等离子体过程为高度非线性，必须动力学手段描述。

I.基本概念（3）非常重要的量：有质动力(Ponderomotive force)Convective term有质动力：光压梯度，把电子从高场强区推开（光通道、成丝）对线偏振激光：2ω项，激发高次谐波II.激光间接驱动黑腔中激光等离子体非线性相互作用问题黑腔等离子体特点：尺度大：腔毫米长（激光波长，（激光周期飞秒10－15）参数变化范围广：等离子体温度、密度（组分）、标长；激光时间、空间相干程度等对LPI问题的物理理解不够，它将成为1MJ点火的最主要的物理风险线性过程对等离子体条件非常敏感，理论上缺乏可信的预言能力Capsule LEH ICF示意图激光的吸收机制－逆韧致吸收逆韧致吸收和共振吸收：ICF（低强度、长脉冲）最重要的两种吸收机制。

此两种机制在强场作用中也起到重要作用。

（1）逆韧致吸收：电子从激光场中得到能量，然后通过碰撞交给离子。

由此激光被等离子体阻尼，引起等离子体加热空间阻尼率与Z（金壁）、ne和Te有关（非相对论极限）激光的吸收机制－共振吸收共振吸收是重要的反常吸收机制，有实验达到40％。

激光能量先转化为等离子体波，然后通过Landau 阻尼变为几十KeV超热电子，对激光聚变十分不利！激光的吸收机制－参量不稳定性•等离子体中存在的本征摸振荡和躁声涨落，当受到泵浦波（激光）的调制时，就从泵浦波吸收能量和动量开始激发和增长－参量不稳定，所谓“参量”就是泵浦波的振幅。

•参量不稳定是激光等离子体中特别重要的过程，典型的便是三波共振相互作用（SRS、SBS）。

参量不稳定有阈值要求，等离子体空间不均匀尺度、碰撞等是影响阈值的重要因素。

•受激散射过程使得一部分激光能量通过入射孔被散射出黑腔，不但降低激光吸收效率，而且改变了环与环之间的能量匹配，同时还有改变激光传播方向引起激光弹着点的变化，从而破坏辐射驱动对称性和冲击波的时间匹配。

此外，受激Ramma散射还将产生超热电子，这些超热电子预热点火靶丸使得压缩度下降。

•激光等离子体相互作用问题的物理理解不够，它将成为1MJ点火的最主要的物理风险。

美国人利用Nova和Omega装置模拟NIF等离子体条件对此进行了大量的研究，采用SSD等束匀滑手段可以有效地抑制成丝不稳定性的发展，控制SRS和SBS引起的激光散射在低于10%的水平，但毕竟这些等离子体非线性过程对等离子体条件非常敏感，理论上缺乏可信的预言能力，目前的实验结果难以外推到NIF。

SRS发生示意图－三波作用匹配条件？因素激光自聚焦与成丝不稳定性激光在等离子体中由高电子密度区域向低电子密度区域传播•某处电子密度低，激光就要向此处聚集，有质动力排开电子，进一步降低该处的电子密度，激光进一步聚集，这样就形成激光自聚焦。

•成丝不稳定就是由于激光自聚焦，使得原本空间形状较好的激光束变成带有丝状结构的，强度高低无序的激光束。

•激光局部高强度，将增强其它不稳定性，影响激光能量在等离子体中的沉积；将影响辐照均匀性，破坏内爆对称性；也将增强自生磁场，影响电子能量传输。

成丝不稳定性对ICF危害很大。

采用激光去相干（时间、空间）手段抑制（不稳定性需要一定时间、空间长度增长）。

有质动力成丝不稳定性（慢变）发生阈值（1）有质动力与等离子体热压产生的力平衡；（2）全反射，由光轴出发的光由于等离子体密度梯度在有质动力与等离子体热压产生的力平衡处发生全反射；（3）激光束主要部分（由第一个衍射极小定义）发生全反射的要求。

U同时描述SRS、SBS和自聚焦非线性演化的耦合方程组入射激光束：SRS/SBS光：初级Langmuir波（离子声波类似）SRS 耦合项重点和难点：动力学波粒、波波效应在流体方程组中的准确处理！应用－SRS、SBS非线性饱和、相互耦合、竞争机制复杂性：不同参数范围，物理过程不同（占主导作用过程条件）•非线性波－粒相互作用等离子体波朗道阻尼、粒子俘获（超热电子产生）•波－波相互作用多级相互作用(LDI、离子声谐波，破坏初始三波匹配）1. 黑腔条件SRS 、SBS 非线性耦合、竞争的粒子模拟(1)等离子体密度低时k λD ~0.334，SRS发展需要的增益长度相对SBS大140/,05.0/,400/,30/,1,/105.20221520=====⋅×=λμλy c e i i e e L n n m m T T keV T cm m W I •SRS、SBS竞争1. 黑腔条件SRS、SBS非线性耦合、竞争的粒子模拟（2)•LDI过程等离子体密度增加时，相对SRS，SBS增益长度变大，Langmuir波衰变不稳定性（LDI）导致SRS饱和2. 增强SRS背散射的Vlasov-Maxwell 模拟－Krook碰撞效应（2）首次发生阵发散射时刻（附近）静电场时空演化图，碰撞导致静电场较规则、达不到波破幅度。

不考虑碰撞效应，静电场波破过程静电场时空演化图3. 电子声波不稳定性（EAW ）激发的Vlasov-Maxwell 模拟EAW激发条件：分布函数在电子声波相速度附近被抹平(a)t=37200, (b)t=200000时刻电子分布函数，所对应的静电波色散关系；实线线性Langmuir 波（热速度0.17c ），对应背向SRS的静电波不存在（波数小于1）静电波ω-k 分布(t=37200)：黑实线对应线性Langmuir 波（不会发生），红线对应EAW 波。

4. 多组分等离子体中离子声波（SBS）阻尼机制（1）(1)H＋;(2)H ＋(20%)+C+(80%);(3)C+Ne=0.3NcTe/Ti=2Te=0.5KeV4. 多组分等离子体中离子声波（SBS）阻尼机制（2）物理机制：增强非线性波－粒相互作用（非线性朗道阻尼）(1)H＋;(2)H ＋(20%)+C+(80%);(3)C+(1)(2)(3)不同时刻离子相空间图Vy－y激光聚变快点火相关问题（1）关键物理问题：压缩：一是预压缩过程是否能够完全避免中心热斑的形成，二是预压缩形成的等离子体状态，直接影响超强激光传输、相对论电子束产生、及能量沉积。

点火：激光通道形成、相对论电子束的产生、输运、沉积能量效率。

理论研究的困难：激光转化为电子能量是动力学过程（飞秒）；电子束流在稠密等离子体成丝尺度－等离子体趋肤长度；电子束流传输距离几十微米；总作用时间10ps处理不同时间、空间尺度下激光－等离子体耦合行为数值模拟手段的建立!（周）点火激光脉冲宽度,几种作用时间估计：•激光与电子：τγ-e≈ω0-1~10-15秒(λ=1.053μm);•超热电子与DT离子：τei≈5x10-12T e3/2/n e≈0.76ps，这里n e:1024/cm3，Te:k ev•热斑膨胀：τD～r h/c s≈10μm/(0.5 μm /ps) ≈20ps;要求点火激光脉宽τp满足:•τei<τp<τD，即τp＝(1~10)ps，功率p ≈E SL/τp ≈3x1014W；功率密度I＝p/πR2≈(1019~1020)W/cm2这也是为什么飞秒激光不能用于点火的物理原因•另一方面，从目前的CPA（包括OPCPA）技术看，能量压缩和放大上限为1015W。

这样能量>kJ的激光脉宽τp 必须大于ps。

激光聚变快点火相关问题（2）相对论效应重要的激光－等离子体相互作用物理m 带电粒子在电磁场中的运动是相对论性的(3)激光可以进入稍微超过临界密度一段距离－趋肤长度c/ωpe （非相对论），对固体碳靶(carbon,Z=6)趋肤长度60A；对相对论情形，进入长度要乘相对论因子（γ>1）。

Mbar I P L 18210330μλ×=(4)激光压力远大于等离子体压力高强度相对论激光的吸收机制仅考虑逆韧致吸收和共振吸收机制远远不够（与实验、模拟不符）一些强场特有的新的吸收机制起重要作用（当然以上两种机制依然存在）对二维、三维构型（ps激光）共振吸收非常重要，形成类RT不稳定性波纹。

激光以P极化入射到密度很陡的等离子体表面上，电子在其中的半个周期中被拉倒真空中，并在下半个周期中以光波中的振荡能注入到等离子体中，从而将边界附近的等离子体电子加热。

高强度相对论激光的吸收机制－真空加热高强度相对论激光的吸收机制－相对论J×B加热高强度相对论激光的吸收机制－高能离子产生（1）高强度相对论激光的吸收机制－高能离子产生（2）高强度相对论激光的吸收机制－高能离子产生（3）应用：新型粒子源、强辐射源的产生机制¾单能、准直好的GeV电子和质子束（诊断）¾高次谐波或相干X射线的产生机制用质子束的等离子体成像、诊断Positron EmissionTomographyIV.激光天体物理天体物理的基本内容粗略地分为：（1）流体力学和磁流体力学（2）原子物理、辐射输运及辐射流体力学（3）相对论等离子体（4）核反应（5）引力相互作用开展（5）的模拟实验是困难的。

但强激光技术的发展使设计模拟实验研究（1）-（4）条中的许多问题成为可能。

激光聚变涉及的研究内容有：（1）激光等离子体相互作用（2）电子能量输运（3）流体力学和强冲击波（4）流体力学不稳定性（5）原子物理、X射线输运及辐射流体力学（6）激光产生相对论等离子体超强激光产生的等离子体覆盖的温度－密度范围与恒星中变化范围有重叠“激光天体物理”概念成立不仅仅是因为激光聚变和天体物理有共同关心的物理问题，它的成立最根本的是有下面三点：（1）物理相同实验室条件利用超强激光产生的相对论等离子体有与星体表面或内部相同的温度和密度。