删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)

纳秒激光等离子体相互作用过程中激光强度对微波辐射影响的研究

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

摘要:在强激光与等离子体的相互作用中, 通常能够产生时间尺度长达百纳秒量级的微波辐射, 形成的复杂电磁环境会干扰或损坏机械电子设备, 并给物理过程的准确认识与表征带来困难. 然而, 目前对于微波辐射的产生机制的研究还不够系统和完善. 本文通过系统地改变纳秒激光与等离子体作用过程中入射的激光能量以改变入射激光强度, 发现微波辐射强度随激光强度非单调变化. 在较低的激光强度下, 辐射强度随激光强度的增加先增加后减小, 辐射场时间波形呈现连续振荡的特征, 辐射频谱包含低于和高于0.3 GHz两部分分量; 在较高的激光强度下, 辐射强度随激光强度的增加而增加, 辐射场时间波形表现为数十纳秒的单极性辐射, 辐射频谱主要包括0.3 GHz以下的分量. 分析表明, 导致微波波形和频谱差别的原因是辐射机制发生了变化. 在较低的激光强度下, 微波辐射由偶极辐射和靶上电子束向真空出射共同作用产生, 其中偶极辐射占主导; 在较高的激光强度下, 微波辐射主要由靶上电子束向真空出射产生. 研究结果对于理解纳秒激光与等离子体相互作用过程中的微波辐射机制具有比较重要的意义, 同时也为借助微波辐射诊断激光与等离子体相互作用过程中的逃逸电子、靶面鞘层场等问题提供了参考.
关键词: 强激光/
微波辐射/
电磁干扰/
纳秒激光等离子体

English Abstract


--> --> -->
强激光与等离子体相互作用过程中, 可以在单位时间、单位空间内实现极高的能量密度, 从而在实验室中产生一系列原本只存在于核爆或者天体中的极端物理条件, 这使得人们可以在实验室中进行激光核爆模拟[1]和实验室天体物理等相关研究. 在激光等离子体相互作用过程中, 可以产生大量的高能粒子[2,3]、高亮的γ射线和X射线[4,5]、超强的太赫兹辐射[6]、微波辐射[7,8]等. 其中强激光等离子体作用中产生的微波辐射, 是强场物理研究伊始就被观测到的物理现象[918]. 频段在几个GHz、能够持续百纳秒量级的微波辐射在实验中通常被作为电磁干扰[1921]. 然而, 微波辐射的产生机制的研究还有待加深.
在美国国家点火装置上(NIF), 研究人员连续多年测量了纳秒激光与等离子体相互作用过程中微波辐射的辐射特征[22,23]. 发现微波辐射场可以持续振荡百纳秒量级, 其频谱主要集中在2 GHz以下, 其强度与激光能量之间正相关. 最近, 又有研究者在捷克的Asterix激光装置上测量了脉宽0.35 ns、能量600 J、光强为1016 W·cm–2的激光入射到靶上以后产生的辐射[24], 其时间波形表现为小于50 ns的单极性辐射, 频谱集中在几百MHz以下. 在不同的纳秒激光装置下, 微波辐射的时域和频域特征都有很大不同, 这可能是由于不同激光以及靶参数条件下辐射机制的差异引起的. 通常认为在纳秒激光实验中, 微波辐射可能源于偶极辐射、电四极辐射、腔室充电后的振荡、接地金属靶杆上的电流回流产生的辐射等过程[11,13,24,25]. 随着实验条件, 如激光、靶、腔室等参数条件的变化, 不同装置、甚至同一装置上不同激光发次上测量的微波辐射场都呈现很大差异, 这给人们认识微波辐射的产生机制带来很大困扰. 在大能量纳秒激光与等离子体相互作用的过程中, 专门针对微波辐射特征和其机制进行系统研究的实验目前还相对较少. 为了更清楚地认识微波辐射的产生机制, 需要系统地研究实验参数对辐射特征的影响.
本文通过改变激光能量调节到靶面的激光强度, 系统地研究了微波辐射强度的变化, 表征了不同激光强度下辐射场的时域波形和频谱特征的变化规律. 实验发现: 在较低激光强度下, 辐射强度随激光强度的增加先增加后减小, 辐射场时间波形呈现连续振荡的特征, 辐射频谱包含低于和高于0.3 GHz两部分分量; 在较高的激光强度下, 辐射强度随激光强度的增加而增加, 辐射场时间波形表现为数十纳秒的单极性辐射, 辐射频谱主要包括0.3 GHz以下的分量. 我们探讨了微波辐射的主要辐射机制随激光强度的变化, 认为较低激光强度下偶极辐射起主导作用, 而较高激光强度下靶上电子束向真空出射更重要.
实验在神光Ⅱ高功率激光装置上运行, 实验布局图如图1所示. 与激光作用的靶为一个直径10 mm、厚1 mm的铜平面靶. 靶与靶架之间用5 cm长的绝缘材料相连, 避免了接地的靶室与靶之间形成过强的电流振荡, 干扰对微波辐射机制的研究. 铜盘南面中心位于球形真空靶室中心. 神光Ⅱ装置中单路激光最高可输出约250 J能量, 激光波长351 nm, 脉宽1 ns, 焦斑直径(半高全宽) 150 μm. 实验中南侧4路激光可作用于铜盘南面中心, 到达靶面的总能量在100—1100 J之间. 在真空靶室内部安放了四个相同的单极探测天线, 其位置均在靶室中心以下13 cm的平面内. 四个探测天线中心的坐标如图1所示. 探测天线的信号通过转接法兰上的线缆转接口连接到真空靶室外, 经过30 m长的同轴线缆以及功率衰减器后, 用同一台3 GHz LeCroy示波器进行记录. 为了避免激光与靶相互作用产生的微波辐射直接耦合到示波器, 示波器置于法拉第屏蔽箱中.
图 1 实验布局图
Figure1. Experimental setup.

由激光与等离子体作用区传递到天线探测面的瞬时辐射功率为P1 = A·S, 其中A (5 cm2)为天线的有效探测面积; S为瞬时电磁场能流密度的幅值, 它与辐射电场E之间的关系为S = ${ E}^2 $/377. 示波器接收的辐射功率为$P_2 = |V|^2/R $, 其中V为示波器的测量值, R (50 Ω)为示波器的阻抗. 考虑到天线到示波器之间的功率衰减, 传递到天线探测面的瞬时辐射功率与示波器测量的辐射功率之间满足P1 = αP2, 其中α为功率衰减因子, 包含天线增益、线缆衰减、功率衰减器等衰减, 实验中总衰减为58 dB. 通过示波器测量值与辐射电场之间的关系, 单极天线可用来表征辐射电磁场的电场信息. 单极天线的有效探测频段在2.2 GHz以下, 示波器的有效探测频段在3 GHz以下, 因而测量的电场主要对应频段在2.2 GHz以下的辐射场.
在实验中利用南侧四束光路分别获得100, 130, 260, 360, 520和1100 J的激光能量输出, 对应到靶面的激光强度分别为5.7 × 1014, 7.4 × 1014, 1.5 × 1015, 2.0 × 1015, 2.9 × 1015和6.2 × 1015 W/cm2. 辐射电场峰的幅值随激光强度的变化如图2所示. 在激光强度从5.7 × 1014 W/cm2增加到1.5 × 1015 W/cm2的过程中辐射场强度逐渐增加; 继续增加激光强度到2.9 × 1015 W/cm2, 辐射场强度逐渐减小; 在2.9 × 1015 W/cm2以上, 增加激光强度又会引起辐射场强度的缓慢增加. 在连续增加激光强度的过程中, 辐射场强度并非单调增加, 这不同于以往实验中人们发现的激光强度越高, 辐射越强的现象[23]. 整体上靶前3个方向的辐射场强度高于靶后的辐射场, 这说明辐射场主要集中在靶前. 由于实验采用了1 mm厚度的铜靶与激光相互作用, 激光不会穿过如此厚的靶, 并在靶后有效地激发等离子体, 因此微波辐射主要与靶前的等离子体行为相关.
图 2 不同激光强度下, 四个方向上对应的电场峰幅值
Figure2. Peak E-field magnitude versus laser intensity in the four different directions.

图3展示了不同激光强度下, 靶前靠近法线方向的单极天线-3测量的电场时间波形. 在激光强度低于2.0 × 1015 W/cm2时, 电场持续振荡数十纳秒; 激光强度高于2.0 × 1015 W/cm2时, 则不会产生振荡的电场, 仅有一个单极性的辐射峰. 进一步对辐射电场做傅里叶变换, 得到辐射场的频谱如图4所示. 激光强度低于2.0 × 1015 W/cm2时, 辐射频谱主要包含低于0.3 GHz和高于0.3 GHz的两部分连续谱. 激光强度高于2.0 × 1015 W/cm2时, 辐射频谱主要集中在0.3 GHz以下.
图 3 入射激光强度分别为(a) 5.7 × 1014, (b) 7.4 × 1014, (c) 1.5 × 1015, (d) 2.0 × 1015, (e) 2.9 × 1015, (f) 6.2 × 1015 W/cm2时, 靶前靠近法线方向上的电场时间波形
Figure3. Electric field waveforms detected by the monopole antenna-3 at laser intensities of (a) 5.7 × 1014, (b) 7.4 × 1014, (c) 1.5 × 1015, (d) 2.0 × 1015, (e) 2.9 × 1015, and (f) 6.2 × 1015 W/cm2.

图 4 入射激光强度分别为(a) 5.7 × 1014, (b) 7.4 × 1014, (c) 1.5 × 1015, (d) 2.0 × 1015, (e) 2.9 × 1015, (f) 6.2 × 1015 W/cm2时, 靶前靠近法线方向上电场的频谱分布
Figure4. Frequency spectra of the electric fields detected by the monopole antenna-3 at laser intensities of (a) 5.7 × 1014, (b) 7.4 × 1014, (c) 1.5 × 1015, (d) 2.0 × 1015, (e) 2.9 × 1015, and (f) 6.2 × 1015 W/cm2.

在较高和较低的激光强度下, 激光与靶相互作用产生的辐射场波形与频谱特征具有显著差别, 这表明不同强度的激光入射到金属靶上, 主导微波辐射的机制应当不同. 在纳秒激光装置中, 出射电子的时间尺度在纳秒量级, 由于电子逃逸会在靶面形成很强的电势, 反过来引起高能电子向靶面回流, 激发偶极辐射. 根据Felber[13]提出的偶极辐射的模型, 这一机制会产生以1/4τ为基频的辐射, 其中τ为激光与物质作用形成靶面电子回流的时间尺度. 本文实验中, 脉宽为1 ns的激光, 可以在1 ns之内产生高密的等离子体以及逃逸的高能电子, 对应的辐射基频约为0.25 GHz. 实验中观察到的大于0.3 GHz的辐射频谱与这一特征频率几乎一致, 这两个频率值不完全相同可能是由于高能电子首次被靶面电势拉回的时间尺度小于1 ns.
当激光强度增加到一定程度, 被加热的高能电子具有更高的能量, 可以克服靶面电势而不容易被拉回, 则偶极辐射不再起主导作用. 此时, 靶上因电子束向真空出射对辐射的驱动作用得以体现. 文献[24, 26, 27]利用纳秒激光与平面靶相互作用,在实验中发现激光作用结束后, 向真空出射的电子束流可持续数十纳秒. 这一过程中, 电子束向真空运动会产生辐射; 接地的金属靶杆会产生中和靶上电荷不平衡的电流回流, 并引起辐射. 其特征均表现为辐射场波形受电子束出射波形影响, 是一个持续数十纳秒的单极性脉冲. 这与图3(e)图3(f)中频谱低于0.3 GHz的单极性辐射脉冲的特征一致. 本文实验中, 平面靶与接地金属腔室之间绝缘, 因此辐射主要由电子束向真空出射驱动.
为了更清楚地说明不同探测方向上辐射场波形和频谱特征, 我们对两个典型激光强度与靶相互作用的情况进行讨论. 当入射的激光强度为1.5 × 1015 W/cm2时, 不同方向上测量的电场波形和频谱分布如图5所示. 各个方向辐射场均表现为数十纳秒的振荡, 且其辐射频谱均包含低于0.3 GHz和高于0.3 GHz两个部分. 偶极辐射与电子束向真空出射产生的辐射共同作用产生了观测到的辐射场.
图 5 入射激光强度为1.5 × 1015 W/cm2时, 不同方向测量的电场波形及其频谱分布 (a)和(e)对应单极天线-1; (b)和(f)对应单极天线-2; (c)和(g)对应单极天线-3; (d)和(h)对应单极天线-4
Figure5. Electric field waveforms and their corresponding frequency spectra detected by the four monopole antennas. (a) and (e) correspond to the monopole antenna-1, (b) and (f) correspond to the monopole antenna-2, (c) and (g) correspond to the monopole antenna-3, (d) and (h) correspond to the monopole antenna-4. The laser intensity is 1.5 × 1015 W/cm2.

当入射激光强度为6.2 × 1015 W/cm2时, 不同方向上测量的电场波形和频谱分布如图6所示. 各个方向辐射场均表现为单极性脉冲, 且其辐射频谱均低于0.3 GHz, 辐射由电子束向真空出射主导.
图 6 入射激光强度为6.2 × 1015 W/cm2时, 不同方向测量的电场波形及其频谱分布 (a)和(e)对应单极天线-1; (b)和(f)对应单极天线-2; (c)和(g)对应单极天线-3; (d)和(h)对应单极天线-4
Figure6. Electric field waveforms and their corresponding frequency spectra detected by the four monopole antennas. (a) and (e) correspond to the monopole antenna-1, (b) and (f) correspond to the monopole antenna-2, (c) and (g) correspond to the monopole antenna-3, (d) and (h) correspond to the monopole antenna-4. The laser intensity is 6.2 × 1015 W/cm2.

从辐射场的频谱分析可以看到, 不同强度的激光入射到靶上, 都会因电子束向真空出射产生低于0.3 GHz的分量. 为了研究不同辐射机制产生微波辐射的效率, 对比计算了不同方向上单位立体角内的总辐射能、电子束向真空出射的辐射能, 以及偶极辐射产生的辐射能. 图7(a)给出了四个探测方向上, 不同强度的激光作用于平面靶时在单位立体角内产生的辐射能. 图7(b)图7(c)分别展示了在激光强度增加的过程中, 低于和高于0.3 GHz的频率分量相应的微波辐射能的变化规律. 可以看到, 不同方向上的辐射能随激光强度的变化规律与图2中辐射峰幅值随激光强度的变化规律相同: 辐射能先增加再减小, 最后缓慢增加. 由靶上电子束向真空出射引起的低于0.3 GHz的辐射能随激光强度的增加而增加. 这是由于高的激光强度能产生更多的逃逸电子数从而产生更强的辐射.
图 7 不同方向测量的微波辐射能量随激光强度的变化(a)单位立体角内产生的总辐射能; (b)单位立体角内产生的0.3 GHz以下的辐射能; (c)单位立体角内产生的0.3 GHz以上的辐射能
Figure7. Radiation energy versus laser intensity at different directions: (a) Total radiation energy detected by the antennas; (b) radiation energy at frequencies lower than 0.3 GHz; (c) radiation energy at frequencies upper than 0.3 GHz.

由偶极辐射产生的频率高于0.3 GHz的辐射能, 随激光强度的增加却不是单调变化的. 在激光强度由5.7 × 1014 W/cm2增加到2.9 × 1015 W/cm2的过程中辐射能先增加后减小; 激光强度继续增加, 由于逃逸电子再被拉回靶面的效率很低, 因此产生偶极辐射的效率很低. 根据靶面电子回流产生偶极辐射的模型, 辐射总功率为[13]:
$P = \frac{{{{\text{π}}^2}c{T_{\rm{e}}}^2}}{{384{e^2}}}{\left( {1 + \frac{{\tau {c^2}}}{{2{\text{π}}{a^2}\sigma }}} \right)^{ - 2}},$
式中, a为电子回流区半径; Te为临界密度面附近的电子温度; σ为斯必泽电导率, 它与${T_{\rm{e}}}^{3/2}$成正比. 在本文实验条件下, (1)式括号内第二项远远大于1, 括号内第一项可以省略. 因此可以近似认为, 偶极辐射的强度与${T_{\rm{e}}}^5$成正比, 与靶面电子回流的时间尺度τ2成反比. 在激光强度的增加过程中, 产生电子回流所需的特征时间与电子温度同时增加, 使得辐射场强度以及能量受二者的共同作用, 产生了图7(c)所示的非单调变化关系.
本文在神光Ⅱ高功率激光装置上研究了大能量纳秒激光与平面靶相互作用过程中, GHz频段内的微波辐射随激光强度的变化规律. 在激光强度增加的过程中, 发现微波辐射强度非单调增加, 辐射波形由持续振荡转变为单极性辐射, 辐射频谱在高激光强度下向低频移动. 辐射场的时间波形和频谱分析表明, 这一现象是由于不同的激光强度作用下, 产生微波辐射的机制不同. 在较低的激光强度下, 微波辐射由偶极辐射和靶上电子束向真空出射共同作用产生, 而偶极辐射占主导作用; 在较高的激光强度下, 偶极辐射不再起作用, 微波辐射主要由靶上电子束向真空出射产生. 由于几个GHz以下的频段恰好对应纳秒激光与等离子体相互作用的时间尺度, 对微波辐射机制的理解有助于加深激光与等离子体相互作用过程中逃逸电子、靶面鞘层场等物理问题的理解. 另一方面, 明确影响微波辐射强度的因素, 也有助于人们在超强激光装置中合理选择实验条件, 以避免强电磁干扰的影响.
感谢在上海神光Ⅱ高功率激光实验装置相关部门工作的所有员工对本文实验所做的贡献.
相关话题/辐射 激光 微波 实验 电子

  • 领限时大额优惠券,享本站正版考研考试资料!
    大额优惠券
    优惠券领取后72小时内有效,10万种最新考研考试考证类电子打印资料任你选。涵盖全国500余所院校考研专业课、200多种职业资格考试、1100多种经典教材,产品类型包含电子书、题库、全套资料以及视频,无论您是考研复习、考证刷题,还是考前冲刺等,不同类型的产品可满足您学习上的不同需求。 ...
    本站小编 Free壹佰分学习网 2022-09-19
  • 再加热双脉冲激光诱导击穿光谱技术对黄连中Cu和Pb的定量分析
    摘要:基于单脉冲激光诱导击穿光谱(singlepulselaser-inducedbreakdownspectroscopy,SP-LIBS)实验装置,搭建了再加热双脉冲激光诱导击穿光谱(re-heatingdoublepulselaser-inducedbreakdownspectroscopy, ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 基于N型纳米晶硅氧电子注入层的钙钛矿发光二极管
    摘要:钙钛矿材料由于其禁带宽度可调、光致发光量子产率高、色纯高等优点,使得其在发光器件上具有巨大的应用潜力.电子注入材料是钙钛矿发光器件中的重要组成部分,特别是n-i-p型发光器件,其直接影响后面钙钛矿的生长情况.本文通过向钙钛矿发光二极管中引入一种新型电子注入材料,n型纳米晶硅氧(n-nc-SiO ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 2 μm波段再入射离轴积分腔输出光谱设计与实验
    摘要:离轴积分腔输出光谱技术(off-axisintegratedcavityoutputspectroscopy,OA-ICOS)是一种高灵敏度的激光光谱测量技术.但由于使用密集的高阶模进行光谱探测,OA-ICOS输出信号强度较低,使得探测灵敏度高度依赖于光源功率.针对该问题,本文引入光学再入射的 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 利用光反馈多模激光器结合滤波器产生平坦混沌
    摘要:提出了一种利用多模激光器结合滤波器产生频谱平坦、无低频能量缺失的宽带混沌信号产生.实验分析和对比了光反馈法布里-珀罗混沌半导体激光器滤波前后的多模及单模信号的频谱特性.结果显示,相较于多模混沌信号,单模混沌信号的低频部分能量提升了25dB,实现了3dB带宽为6GHz的平坦混沌产生.进一步理论研 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 快速扫描频率分辨光学开关装置测量超短激光脉冲
    摘要:频率分辨光学开关法是目前测量超短激光脉冲的主流方法之一.本文比较了三大类二次谐波频率分辨光学开关系统的特点和适用范围,提出将标准二次谐波频率分辨光学开关法改装成一种快速扫描频率分辨光学开关法(frequency-resolvedopticalgating,FROG)装置.利用信号发生器输出的正 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • <sup>7</sup>Li<sub>2</sub><sup>(0, ±1)</sup>分子体系基态振-转能级的全电子计算
    摘要:采用单参考与多参考耦合簇理论结合相关一致高斯基组计算研究了7Li2(0,±1)分子体系的电子基态的势能曲线,计算考虑了体系所有电子的关联效应与相对论效应,拟合得到了体系的光谱常数,并获得了电子基态的振动-转动能级信息.计算得到的中性与阳离子体系的光谱常数与实验值符合得很好;对于阴离子体系,平衡 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 光纤光栅对的参数匹配与激光输出特性
    摘要:高功率光纤激光器的激光输出特性优化,对进一步提高光纤激光器的输出功率以及实际应用中的切割、加工质量具有重要意义.斜率效率、背向漏光以及受激拉曼散射是高功率光纤激光器设计中较为关心的输出特性参数.作为核心器件,光纤光栅对的参数设计与匹配,会直接影响到整个激光系统的性能.本文旨在探究光纤光栅对的参 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 双波长外腔面发射激光器
    摘要:双波长激光光源在干涉测量、非线性频率变换产生中红外及太赫兹波段相干辐射等方面有重要的应用.外腔面发射激光器具有输出功率高、光束质量好、发射波长可设计等突出优势,非常适合用于双波长的产生.用有源区为In0.185Ga0.815As/GaAs应变多量子阱、设计波长为960nm,以及有源区为In0. ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 数值孔径对掺镱光纤振荡器模式不稳定阈值影响的实验研究
    摘要:模式不稳定效应已经成为高功率光纤激光器中限制输出功率和光束质量进一步提升的最大障碍.用不同数值孔径的20/400阶跃折射率分布掺镱光纤搭建了光纤振荡器,并测量了它们的光光效率和模式不稳定阈值.实验结果表明,在同等注入抽运功率和抽运波长为976nm的前提下,具有较低数值孔径的光纤尽管光光效率低于 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29
  • 水合肼还原的氧化石墨烯吸附NO<sub>2</sub>的实验研究
    摘要:还原氧化石墨烯由于独特的原子结构,作为气体检测领域有潜力的候选者引起了研究者们的广泛兴趣.本文采用水合肼作为还原剂来制备还原氧化石墨烯,并以此作为叉指电极的气体敏感层,研究了其对NO2气体的响应特性.结果表明,水合肼还原的氧化石墨烯可以实现在室温下对浓度为1—40ppm(1ppm=10–6)的 ...
    本站小编 Free考研考试 2021-12-29