Author Affiliations
Abstract
1 Laser Fusion Research Center, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, China
2 Center for Applied Physics and Technology, Peking University, Beijing, China
3 Institute of Applied Physics and Computational Mathematics, Beijing, China
Competition among the two-plasmon decay (TPD) of backscattered light of stimulated Raman scattering (SRS), filamentation of the electron-plasma wave (EPW) and forward side SRS is investigated by two-dimensional particle-in-cell simulations. Our previous work [K. Q. Pan et al., Nucl. Fusion 58, 096035 (2018)] showed that in a plasma with the density near 1/10 of the critical density, the backscattered light would excite the TPD, which results in suppression of the backward SRS. However, this work further shows that when the laser intensity is so high ( $>{10}^{16}$ W/cm2) that the backward SRS cannot be totally suppressed, filamentation of the EPW and forward side SRS will be excited. Then the TPD of the backscattered light only occurs in the early stage and is suppressed in the latter stage. Electron distribution functions further show that trapped-particle-modulation instability should be responsible for filamentation of the EPW. This research can promote the understanding of hot-electron generation and SRS saturation in inertial confinement fusion experiments.
laser plasma instability inertial confinement fusion high energy density physics particle-in-cell simulation super-hot electrons High Power Laser Science and Engineering
2023, 11(6): 06000e76
1 太原理工大学 物理学院,山西 太原 030024
2 太原理工大学 光电工程学院,山西 太原 030024
3 兴县经开区铝镁新材料研发有限公司,山西 吕梁 035300
宽谱响应光电探测器在图像传感和光通信等领域应用前景广阔。金属微纳结构通过激发表面等离激元共振效应可高效产生热载流子,将它们与宽带隙半导体构成异质结构,便可利用热载流子开发出低成本宽谱响应光电探测器。研究设计了一种基于Au/TiO2复合纳米结构的热电子光电探测器。其中TiO2层经退火后形成尺度约为百纳米的凹凸结构,Au纳米颗粒层与用作电极的保形Au膜共同组成了激发表面等离激元共振的纳米结构。由于Au/TiO2复合纳米结构的协同作用,该器件在400~900 nm范围内具有宽谱光吸收性能,器件的平均光吸收效率为33.84%。在此基础上,该器件能够探测TiO2本征吸收波段以外的入射光子。例如,在600 nm波长处,器件的响应率为9.67 μA/W,线性动态范围为60 dB,器件的上升/下降响应速度分别为1.6 ms和1.5 ms。此外,利用有限元法进行了仿真计算,通过电场分布图验证了Au/TiO2复合纳米结构中所激发的丰富表面等离激元共振效应是其实现宽谱高效探测的原因所在。
光电探测器 表面等离激元 金属纳米结构 热电子 宽谱 photodetectors surface plasmon resonance metal nanostructure hot-electrons wide spectrum 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220464
1 苏州大学光电科学与工程学院,江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室&教育部现代光学技术重点实验室,江苏 苏州 215006
金属中电子受光激发产生热电子的内光电发射过程可以突破半导体禁带的限制,在光电探测、光伏、光催化等应用中具有重要作用。然而金属纳米结构形貌、尺寸以及肖特基势垒对热电子注入效率的影响尚不清楚。基于蒙特卡罗模拟研究了单结、平面双结结构以及单结、双结核壳纳米线结构中的载流子传输行为,分析了金属纳米结构形貌、尺寸以及肖特基势垒对热电子注入效率的影响。结果表明,在金属薄膜较厚的平面热电子系统中,双肖特基势垒结构可以减小热电子热化损失,显著提高热电子注入效率;当金属比较薄时,热电子的热化损失较小,双结与单结系统的热电子注入效率相差不大。在单结纳米线核壳结构中,电子-声子散射显著地提高了热电子注入效率,并随着金属厚度(纳米线半径)增加而下降(提高)。在双结纳米线核壳结构中,热电子到达外肖特基结界面的注入角相对内界面较小,因此外肖特基结具有更强的热电子捕获能力。随着金属厚度(纳米线半径)的增加,金属中靠近外(内)肖特基结处产生的热电子数量增加,导致注入效率提高(降低)。本研究为更好地理解不同金属纳米结构中的热电子传输行为和注入效率限制以及高性能器件设计提供指导。
探测器 热电子 注入效率 蒙特卡罗模拟 激光与光电子学进展
2021, 58(5): 0504001
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of High Power Laser and Physics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai201800, China
2 Key Laboratory for Laser Plasmas (MoE), School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai200240, China
3 Key Laboratory for Laser Plasmas (MoE), School of Physics and Astronomy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai200240, China
4 Key Laboratory of High Power Laser and Physics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai201800, China
Stimulated Raman scattering (SRS) in plasma in a non-eigenmode regime is studied theoretically and numerically. Different from normal SRS with the eigen electrostatic mode excited, the non-eigenmode SRS is developed at plasma density $n_{e}>0.25n_{c}$ when the laser amplitude is larger than a certain threshold. To satisfy the phase-matching conditions of frequency and wavenumber, the excited electrostatic mode has a constant frequency around half of the incident light frequency $\unicode[STIX]{x1D714}_{0}/2$, which is no longer the eigenmode of electron plasma wave $\unicode[STIX]{x1D714}_{pe}$. Both the scattered light and the electrostatic wave are trapped in plasma with their group velocities being zero. Super-hot electrons are produced by the non-eigen electrostatic wave. Our theoretical model is validated by particle-in-cell simulations. The SRS driven in this non-eigenmode regime is an important laser energy loss mechanism in the laser plasma interactions as long as the laser intensity is higher than $10^{15}~\text{W}/\text{cm}^{2}$.
hot electrons laser plasma interactions stimulated Raman scattering High Power Laser Science and Engineering
2020, 8(2): 02000e21
1 清华大学工程物理系, 北京 100084
2 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室, 北京 100084
针对靶室内的强电磁脉冲(EMP)环境开展理论研究。按照物理机理的不同,将靶室内的EMP环境分为逃逸超热电子激励的EMP、腔体系统电磁脉冲(SGEMP)和线缆SGEMP三大类。分别建立物理模型和数学模型,采用时域有限差分、粒子模拟以及蒙特卡罗算法进行模拟研究,仿真与实验结果吻合较好,该结果为深入研究激光-靶物理过程的电磁现象,以及提高装置电磁兼容能力提供了技术支撑。
激光光学 X射线光学 激光惯性约束聚变 超热电子 强电磁脉冲 系统电磁脉冲
1 清华大学 a.工程物理系
2 b.粒子技术与辐射成像教育部重点实验室,北京100084
激光惯性约束聚变研究中,高功率激光器靶室中强激光-靶物质作用产生的高能电子的运动、X 射线与周围物质作用产生的置换电流将激励出强电磁脉冲,场强幅值高达几万V/m,频率达GHz 量级,能库等工作区域大电流、大电压的快速变化过程也将辐射电磁场,这些电磁脉冲对电子设备将产生各种电磁耦合效应,影响控制时序、测量数据的准确性,严重的甚至使仪器设备毁坏,这种电磁脉冲对生物组织具有损伤效应。本文详细介绍了国内外高功率激光装置电磁环境的理论与实验研究进展情况。
传输损耗激光惯性约束聚变 高功率激光 超热电子 电磁兼容 laser ignition fusion high power laser hot electrons Electromagnetic Compatibility(EMC) 太赫兹科学与电子信息学报
2017, 15(1): 70
北京大学物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室, 北京 100871
表面等离激元因具有能突破光学衍射极限、表面局域性和近场增强等奇特的光学性质,被广泛应用于光伏、光催化和光电探测等研究领域。将具有高效光捕获特性的表面等离激元与传统半导体器件相结合,可以极大地提高传统半导体器件的效率,具有重要的应用价值。由局域表面等离激元弛豫产生的热电子是将太阳能转化为电能或化学能的关键,因此从微观上研究表面等离激元热电子的产生及弛豫过程对于设计高效率表面等离激元纳米光电器件具有重要意义。综述了表面等离激元热电子的激发及其在金属-半导体材料界面处的超快动力学过程的研究进展,分析了目前存在的主要问题并对其未来的发展前景进行了展望。
表面光学 表面等离激元 热电子 异质结 抽运-探测技术 激光与光电子学进展
2017, 54(3): 030002
中国工程物理研究院激光聚变研究中心等离子体物理重点实验室, 四川 绵阳 621900
基于球面弯晶设计了一套二维分辨的单色成像系统,使用光学仿真软件对系统进行了成像模拟。对金网格进行了背光成像, 获得了8.048 keV的单色网格成像, 空间分辨率可达9 μm。在神光II(SG-II)升级激光装置上, 利用该成像系统成功获取了二维锥靶的Kα自发光单色图像。结果表明, 该成像系统能够胜任快点火物理实验中超热电子的诊断。
X射线光学 单色成像 球面弯晶 超热电子 激光等离子体 光学学报
2016, 36(12): 1234001
1 中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900
2 中国科学院 上海光学精密机械研究所, 上海 201800
在拍瓦级飞秒激光装置上完成了两轮激光驱动甲烷气体靶的实验, 用产生的X光源配合SCCD(转换屏+CCD相机)对小型金属器件背光成像, 采用经验公式和PIC数值模拟方法分别预估了超热电子温度, 得到X光能量分别为377 keV和130 keV, 据此两轮实验分别选择1.3 mm和0.8 mm厚度的轫致辐射体。分析比较了两轮实验背光成像质量。通过对次轮实验图像中铝、铜金属台阶灰度值曲线的分析求得X光的能量分别为49 keV和92 keV, 这表明采用PIC数值模拟方法得到的X光能量更加符合实验结果。
飞秒激光 气体靶 团簇 X光 超热电子 能谱 femtosecond laser gas target cluster X-ray hot electrons energy spectrum 强激光与粒子束
2012, 24(11): 2651