在惯性约束聚变(ICF)电子束快点火物理方案中, 需要超强拍瓦激光脉冲驱动MeV能量的强流电子束, 并沉积数十kJ能量到压缩氘氚芯区。强流电子束的束流品质是影响点火成功的关键因素之一, 为深入了解强流电子束产生物理过程, 研制成了三维高性能、适应上万CPU核规模的并行粒子模拟程序, 并开展了大规模数值模拟研究, 探索了强流电子束的产生机制和输运规律。回顾了近几年来快点火研究团队围绕强流电子束产生和控制开展的研究, 介绍了导致束流品质差的两大物理原因: 预等离子体效应和束流不稳定性磁场的随机散射。针对这两个物理原因, 提出了四种提高强流电子束品质的方法: (1)双层金锥靶减弱预等离子体的负面效应; (2)输运丝产生环向磁场准直强流电子束; (3)外加磁场导引强流电子束提高耦合效率; (4)抑制束流不稳定性以降低随机磁场对电子束流的散射。

高马赫数可压缩湍流的运动是一个多尺度多过程的物理现象。采用了多过程分解的方法, 将可压缩湍流分解为剪切和胀压过程, 分析其统计行为和动力学行为。发展了一种新的紧致差分和WENO格式相结合的混合型数值格式, 准确模拟了可压缩湍流场; 研究了其多尺度多过程行为和对粒子的输运影响; 研究了激波结构对湍流场的影响; 在高雷诺数可压缩湍流中, 证明存在惯性区, 其中流运动和压力做功引起的动能流通量都是常数; 证明可压缩湍流中存在从大尺度到小尺度的动能级串过程; 证明动能流通量的剪切部分和胀压部分在惯性区都为常数; 分析亚格子应力项和亚格子质量流动项对动能级串的影响。

在激光靶耦合流体模拟程序中, 相对于传统几何光路追踪方法, Wigner分布函数光路追踪方法可以描述激光衍射效应; 但Wigner分布函数方法需要大量的激光光线来刻画激光能量在相空间的分布, 降低了流体计算效率。基于Wigner分布函数方法提出了一个唯象模型, 可以用较少的光线刻画宏观特征。该模型将Wigner分布函数分解成坐标空间与相空间两部分函数的乘积, 并假定相空间分布函数具有特定的形式。该模型适用于空间相干度较低的实际光束, 成功描述了OMEGA激光器光束, 并且可以描述经过连续相位板匀滑后的实际光束。

针对惯性约束聚变中激光通过等离子体时, 在光路上激发的受激Raman散射(SRS)与受激Brillouin散射(SBS)过程进行了研究。介绍了用于分析两种不稳定性过程背向散射光谱特征的程序模型, 数值模拟了不同等离子体状态参数条件下的SRS与SBS过程, 讨论了黑腔内等离子体参数条件对两种不稳定性过程及其散射光谱特征的影响, 提出了有益于抑制两种不稳定过程的等离子体参数条件。

通过对冲击波点火内爆过程的数值模拟分析点火热斑压缩及形成机制。分析了传统中心点火的内爆过程, 热斑主要经历冲击波压缩和惯性压缩过程, 点火主要通过惯性压缩来实现。并仔细分析了冲击波点火的内爆压缩过程, 从内爆角度来看冲击波点火并不是压缩和点火分开的两步过程, 点火冲击波实际参与压缩过程, 点火冲击波对热斑的直接影响很有限, 热斑仍然主要通过壳层的惯性压缩实现点火。利用惯性压缩的定标关系及冲击波碰撞对壳层影响规律分析了热斑增压的物理机制, 冲击波点火是通过点火冲击波与回冲击波的碰撞来提高壳层的密度, 从而实现热斑压力的提升。

双壳层靶中, 由于燃料被高Z壳层包裹, 其点火方式要求燃料整体点火, 不同于单壳层中心热斑点火。结合点火条件和对于其中物理过程的认识, 设计了间接驱动的冷冻双壳层点火靶。利用冷冻的氘氚(DT)燃料, 可适当提高双壳层靶的燃料装量, 获得和NIF装置条件下中心热斑点火靶相当的放能。间接驱动下, X射线烧蚀并驱动外壳层碰撞内壳层, 把能量传递给内壳层, 进而压缩和点燃冷冻的DT燃料。壳层碰撞过程是能量传递的关键, 通过调整内外壳层的质量比, 提高了碰撞效率, 相应地降低了靶丸点火的能量需求。一维数值模拟分析了该点火靶的内爆过程及定性分析了其中的流体力学不稳定性。同时, 也指出了泡沫中形成的辐射冲击波对内壳层的预热效应, 即辐射冲击波的致稳效应, 能够很好地抑制内壳层外界面处的不稳定性发展, 进而会减弱高Z内壳层和燃料的混合。

介绍了辐射流体力学程序LARED集成程序的物理背景、模型方程、数值方法和数值算例。该程序主要应用于激光间接驱动惯性约束聚变的二维整体模拟, 兼顾激光直接驱动、辐射驱动靶丸内爆过程和流体不稳定性等物理过程的数值模拟。通过与实验数据、一维辐射流体力学程序进行比对, 验证了程序的可靠性。该程序实现了多群输运建模下NIF点火靶的全过程数值模拟, 并已应用于惯性约束聚变的物理研究。

应用大规模第一性原理分子动力学数值模拟方法, 系统研究了氢及其同位素在极端条件下的分子解离规律及状态方程, 并给出了参数化的解函数拟合公式。结合分子、原子流体量子振动的一阶修正, 揭示了氢及其同位素的核量子效应, 解析获得了氢、氘分子在温稠密区域分子解离规律的差别。由第一性原理状态方程给出了雨贡纽曲线, 与气炮、化学炸药、磁驱动、高能激光等实验数据相符合, 并详细讨论了由核量子效应导致的氢、氘雨贡纽曲线的同位素效应。

在神光Ⅱ激光装置上开展了一系列辐射烧蚀Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性实验。平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流, 且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响。 实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT 明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像。 通过提高空间分辨率, 实验获得了二次和三次谐波的增长数据, 模拟结果与实验结果相符合。 神光Ⅱ 激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算。

针对相对论快电子束在高密度压缩芯区等离子体中的能量沉积过程开展物理建模、程序研制和数值模拟研究。从等离子体粒子碰撞的基本物理出发, 综合考虑了高能电子与背景等离子体之间的短程两体碰撞过程和长程集体效应, 建立了相对论Fokker-Planck动理学模型, 通过采用球谐展开的方法, 推导得到了适于数值求解的方程形式并根据方程特点开展相应的数值算法研究及程序研制并完成了物理考核, 对快点火能量沉积的典型物理算例进行了模拟研究, 并针对即将在神光Ⅱ升级装置上开展的快点火物理实验进行了初步的物理分析。

通过理论分析和LARED多群辐射输运模拟研究了激光间接驱动聚变中黑腔辐射温度的角分布特点。研究发现, 黑腔辐射温度角分布主要决定于光斑区与非光斑区的对比度、视野中光斑区的面积比例, 以及体发射的份额。激光二维光环排布下黑腔辐射温度角分布与二维LARED模拟结果非常一致。研究还发现, 二维的LARED模拟能够有效地用于研究神光Ⅲ原型黑腔实验中三维光斑排布下的辐射温度角分布。通过缩小FXRD测量面积能够有效地提高黑腔辐射温度随角度的变化, 从而降低辐射流测量误差对辐射温度角分布的影响。

激光等离子体相互作用(LPI)和瑞利-泰勒流体不稳定性(RTI)是影响间接驱动惯性约束聚变成功的两个主要不确定性因素。点火黑腔内环激光通道在靠近黑腔壁的区域是内环激光SRS背反产生与发展的主要区域。内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡条件。据此提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。结合描述靶丸内爆飞行阶段物理以及内爆性能的两个定标关系, 提出了描述稳定性相对性能的指标。该指标可以指导点火靶设计, 为LPI和RTI提供需要的裕量空间, 是点火阈值因子(ITF)的补充。

在激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)领域中, 获得具有极高空间分辨率(优于5 μm)的X射线辐射图像, 是研究烧蚀不稳定性、内爆流线等关键物理过程的数据基础。基于掠入射反射式成像原理的Kirkpatrick-Baez(KB)显微成像系统作为一种具有高空间分辨率和集光效率的X射线显微诊断设备, 目前已成为国际ICF装置的X射线关键诊断设备。在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置条件上开展了KB诊断技术及设备的研究, 在KB系统的光学设计、光学元件和物镜与系统装调技术等方面取得了许多重要进展, 研制了大视场KB、多色KB等高分辨率X射线显微成像系统。这些系统已应用于我国的ICF内爆芯部发光和流线测量、流体不稳定增长测量等实验中, 为关键物理量的测量提供了高空间分辨率的清晰图像。

总结了在神光Ⅲ原型激光装置上开展的一系列黑腔物理实验研究, 从多个方面研究了黑腔内部等离子体状态和辐射场特性。用真空黑腔能量学研究获得了散射光、辐射温度和不同能段辐射流份额的定标规律, 从能量学角度梳理和分析了整个激光黑腔相互作用过程。通过对黑腔中充入低密度低Z气体抑制了腔壁等离子体运动, 明显减少了可能造成靶丸预热的金M带辐射流(1.6~4.4 keV)份额。针对黑腔内部不同区域等离子体, 研究了光斑区等离子体的运动, 分析了其与电子热传导限流因子的关系; 研究了冕区等离子体的运动, 分析了不同充气等离子体条件对其的影响; 在同一发次实验中同时测量了光斑区与再发射区的辐射流比值。

激光间接驱动惯性约束聚变利用辐射烧蚀驱动靶丸球形内爆, 在减速阶段将内爆动能转化成热斑内能, 同时压缩燃料, 达到点火条件, 实现聚变点火。根据目前认识, 影响内爆压缩过程的主要因素包括内爆对称性、燃料熵增因子、内爆速度和混合。内爆物理实验研究的目的是发展对上述影响因素的实验表征方法, 获取这些影响因素随靶设计参数的变化规律, 建立相应的实验调控能力, 最终达到不断提升内爆性能的目的。为此, 在内爆对称性方面, 开展了Bi球自发光实验, 用于研究点火脉冲前2 ns驱动不对称性; 在内爆速度方面, 开展了球面弯晶单能流线实验, 测量得到内爆速度和剩余质量随时间的变化; 在混合方面, 开展了内壳层示踪涂层内爆混合实验, 测量得到环形发光图像。为考察综合内爆性能, 在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上开展了DT内爆实验, 获得了中子产额随初始靶参数的变化规律。

在神光Ⅱ装置上开展了辐射驱动RT不稳定性的一系列实验, 获得了不同初始扰动幅度、不同扰动波长、不同材料样品等条件下辐射烧蚀RT不稳定性增长的高时空分辨背光图像, 特别是在大初始扰动幅度样品实验中获得了扰动增长的清晰图像, 观察到了扰动增长从线性区到非线性区的过渡过程, 二次和三次谐波的产生和发展清楚可见。充实了数值模拟程序考核的实验数据库, 对间接驱动ICF点火靶设计和研究具有重要作用。

与中心点火相比, 快点火将压缩和点火过程分开, 大大放宽了对压缩对称性和驱动能量的要求。通过在神光Ⅱ激光装置上开展了快点火锥壳靶预压缩实验研究, 利用X射线背光分幅照相方法观察到了清晰完整的快点火锥壳靶内爆压缩过程, 并利用阿贝反演结合剩余烧蚀质量的方法得到了不同时刻燃料密度、面密度分布数据, 当前实验条件下获得的最大压缩密度和面密度分别为30 g/cm3和50 mg/cm2; 为解决金柱腔M带对导引锥的预热以及由此导致的燃料-锥体材料混合问题, 提出了一种在锥体表面镀低Z材料的方法, 实验和辐射流体数值模拟结果验证了该方法的有效性, 该方法的成功解决了间接驱动快点火激光聚变的重要关键技术问题。

通过对多种频率转换方案的深入对比分析, 设计了一套兼容多波长及多脉宽高效输出的频率转换系统。采用“Ⅱ+Ⅱ”类双晶体级联的方式, 可以实现“偏振失配”三倍频和Ⅱ类双晶体正交级联二倍频两种模式间的快速切换。通过数值模拟程序优化了晶体构型, 结果表明, 当两块晶体厚度均为10 mm时, 可以兼顾低功率长脉冲和高功率短脉冲对效率和稳定性的需求。

在神光Ⅱ激光装置上, 利用激光加热金腔产生的X射线辐射场加热Fe/Al样品, 随后用激光探针光入射Fe/Al等离子体并在90°散射方向采集散射光谱, 同时也记录下了样品的自发辐射光谱。实验观察到了清晰的散射光谱以及Fe等离子体自发辐射光谱, 诊断结果表明, Fe/Al等离子体的平均电子温度为360 eV, Fe的平均电离度为18.8。

为了满足充气腔实验对探测器安全性能的要求, 开展了X光二极管的脉冲偏压施加技术的初步研究。在8 ps激光装置上, 设计了一种新的基于信号发生器的同步方法, 完成了X光二极管脉冲偏压加载工作方式的技术验证。脉冲偏压与直流偏压条件下, 探测器上升时间与半高宽变化值不超过10%。脉冲偏压源主要指标确定为脉宽110 μs, 激光打靶零后2.11 ms完成偏压卸载。

利用神光-Ⅲ原型激光装置实验研究了8束ns激光脉冲从一端注入钛空腔靶产生的keV X射线源的辐射特征, 发现keV X射线主要产生于腔轴附近; 钛空腔靶内径过大时keV X射线能流的峰值强度较低, 内径过小时keV X射线能流的持续时间较短。为了在4π空间内使钛空腔靶获得最大的X射线(4~7 keV能段)转换效率, 腔内径的最优值在1000~1300 μm附近, 此时的keV X射线转换效率为4.7%, 是相同激光参数下钛平面靶的2倍左右。激光单端注入有底部钛膜和无底部钛膜的空腔靶对比实验显示,底膜能够增强keV X射线的发射。

根据NaI(Tl)闪烁探测器可用于单光子计数的特性, 探索了一种测量放射源入射下闪烁探测器脉冲电荷谱来实现其绝对灵敏度标定的方法。实验对标定系统的电荷数字转换记录器进行了绝对标定, 得到了用于ICF实验中重要诊断设备滤波-荧光谱仪的NaI(Tl)闪烁探测器的绝对灵敏度。灵敏度标定数据不确定度小于10%, 较传统的放射源标定方法(15%)显著提高, 同时标定能量范围扩大到100 keV以上。最后, 实验结果与Geant4模拟程序计算的结果进行了比对, 符合得较好。

采用X射线CT(XCT)技术进行体积重构的研究方法, 解决了异形泡沫金密度表征中体积难以精确测量的问题, 密度表征结果为978.68 mg/cm3。同时, 为了研究该方法的有效性与不确定度, 开展了XCT体积重构法与排水法对具有不规则外形橡皮泥样品的密度表征对比实验, 结果表明两者之间的相对误差小于1%。

激光惯性约束聚变的核心思想是利用球形内爆技术对聚变燃料进行增压，使热核燃料达到高温、高密度的等离子体状态，进而实现聚变点火。基于对称压缩、流体界面不稳定性和实验诊断的考虑，ICF实验对作为热核燃料容器的空心微球的品质在球形度、壁厚均匀性、表面粗糙度以及掺杂水平等方面提出了严格的要求。为满足这些要求，陆续发展了乳液微封装技术、降解芯轴技术、低压等离子体聚合/掺杂技术、干凝胶玻璃微球制备技术等用于多层塑料微球和空心玻璃微球的研制。另一方面，针对ICF靶丸量小、质轻以及表面要求高的特点，发展了相应的非破坏性靶丸参数表征技术，如X光照相技术、4π形貌表征技术、微球掺杂水平测量技术以及微球内燃料负载水平快速测试技术。基于这些制备与表征技术，初步实现了多层塑料微球、玻璃微球、聚-α-甲基苯乙烯芯轴微球、梯度掺杂CH微球的研制，满足了“神光Ⅱ”、“神光Ⅲ原型”及“神光Ⅲ主机”上开展的一系列内爆物理实验的要求，同时为未来点火物理实验用靶丸的研制提供了技术支撑。

惯性约束聚变(ICF)冷冻靶中氘氘(D2)、氘氚(DT)等燃料冰层在靶丸中的分布由靶丸所处的温度场决定。在氘氘冷冻靶中, 垂直温度梯度引起的气-液界面张力梯度可以抵消重力作用, 使氘氘液体在靶丸内均匀分布; 然后在氘氘的三相点附近缓慢降温, 可以实现燃料冰层的均化。 在氘氘冷冻靶均化实验系统上, 采用温度梯度结合制冷速率与制冷过程控制的方法, 实现了1 mm直径、30 μm壁厚的辉光放电聚合物(GDP)靶丸中氘氘冰层的均化, 对背光阴影图像中亮环位置进行分析表明: 氘氘冰层的平均厚度为185.56 μm, 均匀度为80.2%, 模数-功率谱曲线中模数2~100对应的内表面粗糙度为2.26 μm。

低密度的高原子序数元素氧化物气凝胶由于前驱体形成端基双键而易于收缩和开裂。通过调控配位环境结合无机分散溶胶凝胶法, 制备了稀土氧化物气凝胶。氧化镧基气凝胶和氧化钇基气凝胶块体的成型性好, 最低密度分别为0.05 g·cm-3和0.06 g·cm-3。其成分分别为六方相的La(OH)3和六方相的Y(OH)3, 而聚丙烯酸中的羧基与稀土离子之间以桥接的方式进行配位。两种气凝胶均存在明显的多级结构, 氧化镧基和氧化钇基气凝胶的初级粒子分别为纤维状和片/球混合形貌, 而其二级粒子均为球形。两种气凝胶的比表面积分别为229.1 m2·g-1和229.6 m2·g-1。该方法制备的稀土氧化物气凝胶具有低的密度和纳米尺度的均匀性, 在背光源中有潜在的应用。

利用低压等离子体聚合技术在不同工作压强下制备了辉光放电聚合物 (GDP) 薄膜。利用原子力显微镜、傅里叶红外光谱仪、元素分析仪和紫外-可见光谱仪对GDP薄膜的表面形貌、化学结构、碳氢原子数比以及光学性质进行了表征。分析了工作压强对薄膜表面形貌、化学结构、碳氢原子比和光学性质的影响以及相互关系。结果表明: GDP薄膜的表面形貌随工作压强的增大而变得平整光滑, 均方根粗糙度逐渐减小。随工作压强增大, GDP薄膜的化学结构的相互交联化程度减弱, C=C双键含量不断减小, 碳氢原子数比不断减小, 氢元素含量逐渐增大, 薄膜的光学透过率截止波长发生“蓝移”, 光学间隙不断增加。

利用低压等离子体增强化学气相沉积技术制备碳氢辉光放电聚合物(GDP)和全氘代辉光放电聚合物(D-GDP)薄膜。利用表面轮廓仪、傅里叶红外光谱仪和纳米压痕技术对制备的样品进行表征, 讨论了GDP/D-GDP薄膜的沉积速率、化学结构和力学性能在ICF物理实验用靶应用中的优缺点。结果表明: GDP/D-GDP薄膜的沉积速率都随反应气体流量比例近线性增加, GDP的沉积速率达到2.6 μm, D-GDP的沉积速率达到1 μm, GDP的沉积速率远大于D-GDP的沉积速率; D-GDP薄膜内部的交联化程度较弱, D-GDP更有利于靶丸内燃料的红外均化; GDP的力学性能明显优于D-GDP, 更有利于ICF物理实验用靶的燃料填充与装配操作。

在考察聚苯乙烯(PS)与聚乙烯基苄氯(PVBCl)相容性及干涉效应对测量结果影响的基础上, 使用红外显微化学图像技术研究表征了PS与PVBCl混合物薄膜和微球的相分离情况, 对比分析了不同处理条件下制备的微球半球壳中两种聚合物的相分离红外显微化学图像。研究结果表明建立的研究方法可以用来定性或半定量的分析球壳内PS和PVBCl两聚合物的分相情况, 在测试中样品的干涉效应会对测量造成较大的不确定度, 在不同温度下获得的聚合物微球样品中, 40 ℃条件下两聚合物的分相情况更为理想。该研究为探索非均相双半球型聚合物微球制备条件以及红外显微化学图像法表征聚合物相分离提供了一种直观可行的表征方法, 但受空间分辨率的影响, 该方法不适合于6.25 μm×6.25 μm以下尺寸样品的分析。

为研究分子量对聚-α-甲基苯乙烯(PAMS)空心微球的乳液微封装制备过程中乳液固化速率的影响, 实验采用分子量为300~800 kg·mol-1的3种PAMS作为油相, 测量在聚乙烯醇(PVA)和聚丙烯酸(PAA)两种外水相环境下, PAMS/氟苯(FB)乳液直径、油相浓度和FB扩散通量随固化时间的变化。结果表明, 随PAMS分子量减小, PAMS油相浓度上升趋势变慢, FB扩散通量的峰值在分子量为300 kg·mol-1时达到最小。因此, 可通过降低PAMS分子量的方式来延长乳液的固化时间, 从而降低FB的扩散速率, 使乳液有足够时间调整形变有利于获得良好的微球球形度。

设计了一种新型双壳层靶丸金属层电沉积装置, 借助计算机模拟了其设计原理, 分析了微球的运动及镀层的生长模式, 介绍了其各部分结构和功能。借助理论计算, 确定了镀槽的整体尺寸, 其中槽体半径确定为5 cm。镀槽的特殊结构使微球上部镀层沉积速度较快, 结合小球的自转及围绕圆柱体的公转运动实现镀层均匀沉积。镀液及微球的运动模式使镀液流速合并了主盐浓度、小球平动速度、小球转动速度三个关键参数, 简化了对沉积过程的控制。在新旧装置上进行了电沉积实验, 制备出了镀层厚度分别为9 μm和2 μm的空心金微球, 结果表明: 使用设计的装置可制备表面质量良好、厚度均匀且可控的金属微球, 镀层厚度由沉积时间、金属层密度、镀液比重、微球芯轴的等效密度等决定。

提出了一个快点火靶新型概念和结构分析, 在锥的尖端制作一个热斑大小的平台, 以避免燃料从锥方向逃逸; 在平台中间制作一个微纳米点, 以约束热电子发射。或者在平台上制作微纳米点阵列, 以抬高阿尔文效应限制的条件。考虑超热电子发射的静电势、材料的逸出功, 给出了热电子发射能量公式, 根据公式提出了关于快点火靶在材料和结构方面的优化条件和研究内容。比如, 提高超热电子发射的静电势, 和发射材料的选择等, 以优化超热电子的出射能量和方向。

研究高功率激光装置光传输管道内部洁净度变化规律, 分析其对内部重要光学元件光学性能的影响规律, 提出污染控制措施。对光传输管道内部的气溶胶进行采样, 并利用空气品质分析仪及扫描电镜对其进行分析, 得到光传输管道内部洁净度变化规律和污染源; 采用内部放置透射膜元件的方法, 研究洁净度等级水平对透射膜的微观结构和透射率的影响, 并利用“1-on-1”的测试方式进行透射膜元件的损伤阈值测试。研究结果表明: 光传输管道内部的洁净度在激光辐照后迅速上升至万级水平, 透射膜元件在此环境下其透过率严重下降, 下降幅度为2.5%, 且表面微观形貌发生变化。光学透射薄膜表面损伤阈值随表面污染水平呈现线性下降规律, 最大下降幅度约为10%。污染监测和成分分析结果表明管道内部灰尘及杂散光或者鬼光束辐照金属产生的等离子体是管道内污染的主要源头, 在此基础上提出了正压密封保持的技术手段确保内部光学表面洁净度水平, 延长使用寿命。

采用单台阶能量光栅扫描以及R-on-1测试两种不同预处理方式研究了激光预处理技术对532 nm HfO2/SiO2高反膜的阈值提升效果。用Nd: YAG二倍频激光对电子束蒸发制备的532 nm HfO2/SiO2高反膜进行1-on-1损伤阈值测试, 然后分别进行单台阶能量光栅扫描以及R-on-1测试。通过对损伤概率以及损伤形貌的分析, 发现激光预处理能够去除薄膜内低阈值缺陷, 达到提高损伤阈值的目的, 损伤阈值分别提高38%和30%。

利用“神光Ⅱ”激光装置的两束激光烧蚀半圆柱壳层靶产生了高速等离子体喷流。喷流的参数由光学和X射线诊断测量。喷流是准直的,在真空中传播。一维流体力学模拟被用来间接地计算喷流的速度。喷流的准直可能来源于高Z等离子体的辐射冷却。由于和年轻恒星喷流具有某些几何相似性,实验室喷流对于在实验室中模拟年轻恒星喷流具有潜在应用。

为了克服激光加速中强流离子束空间电荷效应对粒子输运的影响, 提出一种利用两块不同密度的固体靶先后和一束强度约为1022 W/cm2、脉冲长度为5T(T为激光周期)的超强脉冲激光相互作用的方案, 实现了中性等离子体块的加速。通过一维PIC数值模拟研究发现, 在合适的参数下, 加速后的电子与质子几乎以相同的速度共同飞行长达60λ(λ为激光波长)的距离, 其中质子与电子的能量分别为GeV和100 MeV量级。

利用发射光谱测量技术分析了介质阻挡放电等离子体激励空气产生的主要活性粒子, 利用零维等离子体动力学模型模拟了甲烷/空气中放电阶段主要活性粒子的演化规律, 并通过敏感性与化学路径分析研究了O原子影响甲烷点火过程的化学动力学机理。研究表明: 空气中介质阻挡放电等离子体主要产生N2和O2的激发态粒子, 激发态粒子的数密度随着电压的增加而增大; 激发态粒子经过一系列物理化学反应最终转化成若干自由基, 其中O原子的摩尔分数最大; O原子缩短甲烷点火延迟时间一个量级, 原因在于添加O原子后甲基(CH3)的氧化途径由自点火过程中的经O2直接氧化为CH3O和CH2O转变为经HO2和O原子氧化为CH3O和CH2O, 由于后者的基元反应速率快, 因而明显缩短了点火延迟时间。

基于激光等离子体尾波解析模型, 分析了毛细管中激光与等离子体相互作用, 数值计算了尾波中基本物理量。计算结果表明: 毛细管等离子体尾波幅度与毛细管半径有关, 在较小的毛细管中尾波幅度更大。在相同的激光与等离子体参数情况下, 与无界等离子体尾波相比较, 毛细管等离子体尾波中电子空泡纵向尺度、电场强度峰值、角向自生磁场强度峰值提高了60%, 这些特征都表明毛细管等离子体尾波更有利于电子加速。

为了获取强激光驱动产生的X射线光源焦斑尺寸和空间分辨率, 设计了刃边及双网格方法, 其中刃边厚度为0.2 μm, 双网格分别为400目铜网格和394 lp/cm的镍网, 利用X射线CCD作为探测元件。Ti宝石激光在能量1 J、脉宽40 fs、频率10 Hz、激光功率密度约为4.4×1018 W/cm2的条件下, 重复频率加载圆盘Cu靶。在中国工程物理研究院25 TW激光装置上首次获得了X射线的焦斑及网格图像, 并推算了该装置的X射线焦斑尺寸为43 μm, 而网格空间分辨力为34 μm。结果表明该刃边及双网格方法适合强激光驱动产生的X射线焦斑尺寸测定。

根据脉冲等离子体关键特征参数的特点及相关应用需求, 基于垂直引入式有网反射二阶空间聚焦技术, 研发了脉冲等离子体飞行时间质谱诊断系统, 其质量分辨率约为1690 (FWHM), 离子能量诊断范围为3~150 eV, 时间分辨率约为0.45 μs。通过对典型脉冲等离子体开展飞行时间质谱分析和研究, 获得了离子质谱、离子能量分布函数等重要特征参数。等离子体以不同价态的Ti离子为主, Ti+最可几能量约为23 eV, Ti2+最可几能量约为48 eV。

采用Z变换时域有限差分(Z-FDTD)数值模拟方法, 研究了电磁波在非均匀等离子体中的传输特性。在此基础上, 对L波段(1.575 GHz)电磁波, 在等离子峰值密度为1011/cm3且沿径向呈Bessel函数分布的柱形等离子体源下, 进行了2, 4, 6, 8, 10 cm厚度下的传输特性实验, 得到电磁波衰减分别为9, 15.8, 24.9, 36.4, 45.5 dB, 并与仿真结果对比, 吻合良好。