强激光与粒子束
2023, 35(1): 012005
1 长沙学院电子信息与电气工程学院，湖南 长沙 410003
2 国防科技大学理学院，湖南 长沙 410073
利用强激光与等离子体相互作用产生的频谱特性可调谐的高次谐波辐射（HHG）一直是国内外研究的热点。利用二维粒子模拟程序对超强超短激光脉冲驱动等离子体波导激发的高次谐波的辐射特性与相关电子动力学行为进行了研究，讨论了驱动激光强度、等离子体密度等关键参数对所产生谐波的转换效率与椭偏率的影响与调控规律，并根据Baeve-Gordienko-Pukhov（BGP）理论分析了其内在物理机制。该研究为开发高亮度、超短超快、圆偏振、深紫外及软X射线波段台面型辐射源提供了新的技术途径，进而有望在超高灵敏度、超快速的物质手性检测手段的研发方面起到积极促进作用。
激光光学 强激光 等离子体波导 高次谐波 辐射特性 物理机制 光学学报
2022, 42(21): 2114001
中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,南京信息工程大学大气物理学院,南京 210044
利用离散偶极子近似法研究了旋转椭球体沙尘气溶胶粒子在尺度参数变化范围为0.1～23时(波长0.55 μm对应有效半径为0.01～2 μm)的光学特性,并通过分析比较不同取向数下光学特性的差别,研究取向数对非球形沙尘粒子光学特性的影响。对单分散系,较少的取向数使旋转椭球体沙尘气溶胶粒子的各光学参量对于取向的选取敏感,但随着取向数的增多,沙尘粒子的各光学量逐步趋于一致。对多分散系,受粒子谱分布积分效果的影响,旋转椭球体沙尘气溶胶粒子对取向的敏感度,相比单分散系要稍低一些。粒子的非球形程度对获得随机取向光学特性取向数的选取也有影响,粒子非球形特征越明显,获得随机取向光学特性所需要的取向数越多。以多分散的旋转椭球体沙尘粒子为例,要获得随机取向沙尘粒子的消光效率因子、单次散射反照率和不对称因子(相对偏差在1%以内),轴半径比为16的非球形程度所需的取向数超过500,而轴半径比为2的非球形程度所需的取向数则仅超过100。
光散射 取向数 沙尘气溶胶 旋转椭球体 light scattering orientation number dust aerosol spheriod
中国气象局 气溶胶与云降水重点开放实验室,南京信息工程大学 大气物理学院,南京 210044
利用米散射理论数值计算分析了尺度参数为0.1～100时球形典型气溶胶粒子的散射和吸收特性对复折射率的依赖性关系。气溶胶粒子复折射率的实部和虚部是一个有机的整体, 粒子复折射率的实部和虚部可以分别影响其散射和吸收特性。若实际大气气溶胶粒子大多是成核模态和积聚模态的小粒子, 基于气溶胶的散射和吸收特性可以获得其复折射率的唯一解。但是, 如果大气中存在大量的粗模态粒子时, 气溶胶散射和吸收特性对其复折射率的依赖性较为复杂, 只有选择有限的合适复折射率库区间, 才有可能获得更合适的有效复折射率。
光散射 气溶胶 复折射率 散射和吸收特性 依赖性 light scattering aerosol refractive index scattering and absorption dependency
国防科学技术大学理学院, 湖南 长沙 410073
超强超短脉冲激光广泛应用于粒子加速以及新型X射线辐射源产生。较长的激光脉冲上升前沿直接影响激光应用效果。等离子体薄膜靶作为新型光学介质开关，可以有效降低超强激光脉冲前沿上升时间，优化激光等离子体相互作用参数。采用一维理论分析和粒子模拟方法研究了等离子体薄膜靶实现超强激光脉冲整形的机制。研究结果表明，薄膜靶通过对激光脉冲的非线性调制，可有效实现脉宽缩短和脉冲陡化；对比单层靶调制结果，选择参数优化的双层靶，可进一步优化脉冲整形效果，获得更短脉宽和更高振幅的激光脉冲；对于峰值振幅高于薄膜靶击穿阈值的超强激光，脉冲上升前沿可得到明显陡化，薄膜靶的击穿是产生这种脉冲整形效果的直接原因。
激光光学 脉冲整形 薄膜靶 优化 粒子模拟
1 国防科学技术大学 理学院, 长沙 410073
2 中国卫星海上测控部 技术部, 江苏 江阴 214431
3 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳621900
4 国防科学技术大学 计算机学院, 长沙 410073
用2D3V粒子模拟程序研究了高能质子束驱动的尾波场加速电子的方案, 及其在此方案中应用背景等离子体密度的跃变致使等离子体电子自注入加速相区的可能性。粒子模拟结果显示: 密度跃变实现了电子的自注入, 并且捕获的电子束处于加速相位, 等离子体尾波场纵向电场对捕获的电子束起箍缩作用; 捕获的电子束随着传输, 表现为窄能谱分布; 同时随着密度跃变大小的增大, 可以增加等离子体电子的捕获。
质子束 粒子模拟 等离子体尾波加速 密度跃变 电子捕获 proton beam PIC simulation plasma wakefield acceleration density transition electron trapping
1 国防科学技术大学 理学院 物理系, 长沙 410073
2 空军工程大学 理学院 数理系, 西安 710051
3 国防科学技术大学 计算机学院, 长沙 410073
4 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
利用1维粒子模拟程序, 研究了超短超强激光脉冲与超薄双层靶(基底层和加速层厚度均为nm量级)相互作用产生准单能质子束的过程。研究表明, 基底层厚度及加速层厚度对质子能谱的影响至关重要。减小基底层厚度, 靶后静电场增强, 质子的最大能量显著增大；减小加速层厚度, 靶后静电场分布变得更加均匀, 质子能谱中心能量变化不大, 单能性变好。通过优化参数, 获得了能散度为7%的准单能质子束。
粒子模拟方法 超薄双层靶 质子能谱 准单能 particle-in-cell simulation ultrathin double-layer target proton spectrum quasi-monoenergetic
1 国防科学技术大学 理学院, 长沙 410073
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
3 国防科学技术大学 计算机学院, 长沙 410073
用粒子模拟程序研究了长脉冲质子束在等离子体中的传输特性, 模拟结果表明, 等离子体可以明显改善质子束的空间传输特性, 大尺度的等离子体相对于等离子体层可以实现较长距离的稳定传输。研究发现, 在实现长距离传输时, 等离子体波会对质子束密度有较大的调制作用, 严重影响质子束的传输性质, 同时通过优化束密度分布可以有效减弱等离子体波的激发, 实现束较稳定的传输。
质子束 粒子模拟 束-等离子体相互作用 等离子体波 中和 proton beam PIC simulation beam-plasma interaction plasma wave neutralization
1 国防科学技术大学 理学院, 长沙 410073
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
3 国防科学技术大学 计算机学院, 长沙 410073
基于Berenger完全匹配层的基本思想, 导出了高斯单位制下2维完全匹配层吸收介质的控制方程及参数设置方法, 并进行了数值验证和参数优化。依据所得结论编制了相应的吸收边界模块加入到2D3V等离子体粒子模拟程序PLASIM中, 取得了良好的吸收效果。基于完全匹配层吸收边界的实现, 在小窗口内对超强激光预脉冲与低密度等离子体的长时间相互作用过程进行了模拟研究, 结果表明:激光强度和作用时间是影响等离子体密度改变的重要因素, 超强激光其长时间的预脉冲可以通过有质动力的累积效应在低密度等离子体中引起较大的密度变化。
完全匹配层 吸收边界 高斯制 粒子模拟 反射率 perfectly matched layer absorbing boundary condition Gaussian unit PIC simulation reflectivity
1 国防科学技术大学 理学院,长沙 410073
2 国防科学技术大学 计算机学院,长沙 410073
理论分析了氘氚层外表面的温差与其粗糙度间的关系;以法国兆焦激光装置LMJ为原型,利用计算流体力学程序Fluent,分别模拟了靶丸轴向偏离黑腔中心不同尺度和烧蚀层存在不同大小的非均匀厚度对氘氚层温度分布的影响,求得了这两种误差引起氘氚层厚度的非均匀度。结果表明:为了满足点火靶的要求,靶丸轴向偏离腔体中心的尺度须在8.5 μm内,烧蚀层轴向粗糙度则应控制在0.72 μm内。
惯性约束聚变 间接驱动靶 冷冻靶 氘氚层 粗糙度 均匀性 轴向偏离 ICF indirect drive target cryogenic target deuterium-tritium layer roughness uniformity axial misalignment
