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1、1995 年 6 月 16 日收到原稿 , 1996 年 1 月 12 日收到修改稿。0153Lm 激光与等离子体相互作用实验研究丁永坤郑志坚唐道源刘慎业陈正林梅启庸祁兰英李三伟丁耀南刘忠礼(西南核物理与化学研究所、高温高密度等离子体物理重点实验室 ,成都 525 信箱 77 分箱 , 四川 , 610003)摘要 利用神光 - 激光装置的南路光束经 KD P 晶体倍频后的 0153Lm 激光与金盘靶相互作用 , 重点研究了吸收、 X 光转换、 SR S、超热电子和离子发射行为。结果表明 , 采用短波长激光 , 吸收和 X- 光转换率明显提高 , SR S 及超热电子的产生得到了明显抑制。关键
2、词 0153Lm 激光等离子体吸收 X- 光转换非线性过程ABSTRACT Experim ental investigation of 0. 53Lm laser2p lasm a interaction w ere con2ducted on Shenguang- laser facility, w ith one of its two beam s irradiating on gold disk s.T he absorp tion、 X- ray conversion、 stim ulated R am an scattering、 hot electrons generation
3、andions em ission w ere investigated. Experim ental results show that absorp tion and X- ray conver2sion are enhanced , SR S and hot electrons generating w ere sup ressed by shortening laser w ave2length in comparision w ith 1. 053Lm laser.KEY WORD S 0. 53Lm laser, p lasm a, absorp tion, X- ray conv
4、ersion, nonlinear p ro2cesses.0引言强激光与等离子体相互作用所包含的丰富的物理过程有极其广泛的用途。激光可以多种方式与等离子体相互作用 , 这些作用过程包含逆轫致吸收 (即碰撞吸收 ) 和一系列集体过程。依据不同的实验参数 (激光功率密度、波长、脉冲宽度、等离子尺度等 ) , 或次稠密区 (n T1T2, Mi 为第 i 个子波的阻尼率 , 阻尼来自于碰撞、 L andau 阻尼及三波共振区域的有限性。这些非线性过程的阈值是反比于等离子体密度梯度尺度 L n (L n = (dn dx ) - 1ne) 1 和激光波长。要抑制这种过程 , 就得提高其阈值 , 从而
5、降低了不稳定性增长率。容易看出缩短激光波长是最有效的抑制方法。激光产生等离子体的 X 光发射 , 对间接驱动激光聚变尤为重要。在间接驱动激光聚变中希望能将尽可能多的激光能量转换成 X 光能 , 以便有足够能量的 X 光驱动靶丸内爆 , 并提高激光能量的利用率。激光等离子体的 X 光发射包括自由 - 自由过程产生的轫致辐射 ; 自由 - 束缚过程产生的光电复合辐射 ; 以及束缚束缚跃迁产生的线谱辐射。在确定的等离子体状态下 , 构成等离子体的物质的原子序数愈高 , 产生的 X 光能愈多。实际上为提高 X 光转换效率 , 通常采用高 Z 元素的靶材料。1实验及结果实验利用神光 - 激光装置的南路光
6、束进行 , 神光 - 南光束输出的 1. 053Lm 激光经 KD P 晶体倍频成 0. 53Lm 激光。 0. 53Lm 激光经 f 1. 7 透镜会聚后与靶作用 , 靶面功率密度 IL 为 1013 1015W cm 2, 脉宽约 018ns, 焦斑 5 200 400Lm。实验用靶为 5 700Lm、厚15Lm 的金盘靶。实验中激光入射角取 0、 10、 30、 45四种 , 主要为 45。实验诊断主要采用了能量平衡测量系统 (等离子体与散射光测量 )、平响应 X 光二极管、法拉第杯离子电荷收集器、 K 边滤波硬 X 光谱仪、拉曼谱仪、激光能量计等。主要测量了散射激光能量、等离子体能量、
7、离子飞行时间谱、硬 X 光能谱、拉曼散射光能量及光谱等。实验布局见图 1。在激光斜入射与盘靶作用时 , 由于散射激光的角分布太复杂 , 分离探测器数量太少难以全面测量其角分布 , 在这种条件下等离子体膨胀是一个热过程 , 对于靶面法向有较好的旋转对称性 , 以测量等离子体角分布 , 在假定对靶面法向旋转对称的前提下 , 积分可得等离子体总能量 , 并以此计算吸收效率。金盘靶对 0. 53Lm 激光的吸收与入射角度、功率密度的关系及相应的数值模拟结果见图 2、图 3。金盘靶 X 光发射角分布及 X 光转换率 GX = E X E P (发射 X 光能量 E X 与吸收的激光能量 E P 之比 )
8、与入射激光功率密度的关系见图 4、图 5。金盘靶实验中 , 当激光聚焦辐照时 , IL 约 5 1015W cm 2, 此时拉曼光份额为入射激光能量的 011% 左右 , 而离焦时 , IL 约 6 1014W cm 2, 拉曼份额约为 10- 5量级 , 见图 6。图 7为 KF 谱仪测到的 0. 53Lm 激光辐照金盘靶时的硬 X 光能谱 , 以及由此推算出的超热电子温度 T He和热电子温度 T e。盘靶前向发射的离子的飞行时间谱见图 8。612 强激光与粒子束 第 8 卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All ri
9、ghts reserved.FF: hard X- ray spectrom eterCM : calorim eter for Ram an lightBF: band filter of lightOMA : op tical m ultichannel analyser : pyroelectric calorim eter$: Farady cup charge collectorT: targetM : m irrorKDP: frequency double crystalFF: 硬 X 光能谱仪CM : Ram an 光能量计BF: 带通滤光片OMA : 光学多道分析仪 : 热释
10、电卡计$: 法拉第杯T: 靶M : 光学镜片KDP: 倍频晶体F ig. 1 D iagram of experim ental setup图 1实验布局图2讨论理论与实验均表明短波长、长脉冲、高 Z 靶材料的等离子体对激光的吸收以逆轫致吸收为主。在如下假设前提下 , 对金盘靶与 0. 53Lm 激光作用时的吸收作了数值模拟 : 激光脉冲为方形脉冲 , 逆轫致吸收为主要吸收机制 , 伴随有主要发生在低密度等离子体区的受激布里渊散射 (SBS) , 它的激光能量份额由拟合公式 GSB S = 0. 15 0. 11g (I 14)给定 8 。晕区电子离子等温 , 电子温度随时间慢变 , 等离子体
11、密度为指数分布。图 2、图 3 表明 , 数值模拟与实验结果符合得较好 , 同时也与文献 8 中的实验结果相符。图 2、图 3 表明 , 随着激光功率密度提高 , 吸收降低 ; 随入射角增大 , 吸收也降低。由于晕区电子温度有近似关系 T e (I 14K2Lm cos2H) 2 3。因此 , 随着激光功率密度增大 , 电子温度变高 , 电子离子碰撞频率降低 , 逆轫致吸收下降。激光斜入射时 , 激光不能到达临界密度面 , 在密度 n= nccos2H处回转 , 激光未能到达高密度区 , 电子离子碰撞频率降低 , 因而吸收下降 , 这些都与实验结果定性符合很好。同时 0. 53Lm 激光的吸收
12、比同样条件下 1. 053Lm激光吸收高 9 约 30 个百分点 , 这是因为激光波长短 , 激光能进入更高密度区 , 加热更多等离子体 , 电子温度低 , 电子离子碰撞频率高 , 逆轫致吸收更高。由图 4 可见 , 在激光 45入射条件下 , X 光发射的角分布相对于靶面法向接近 A+bcosH分布的形式。 a b 的比值对等离子体的二维效应有较强的相关性 , 该比值愈小 , 表明等离子体愈接近一维平面模型 , X 光发射接近 cosH分布 , 服从面源发射的 L am bert 定712第 2 期 丁永坤等 : 0153Lm 激光与等离子体相互作用实验研究 1995-2005 Tsingh
13、ua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.F ig. 2 A bsorp tion of gold disk irradiated by0. 53Lm light via incident angle, experim entalreults w ere p resented in comparision w ith thesim ulation on the conditions of KL = 0. 53Lm ,Z = 79, S= 0. 8ns, IL = 5 1014W cm 2图 2金盘靶对 0. 53Lm 激光的吸
14、收与入射角的关系 ,及其与相应数值模拟的比较。模拟条件 :KL = 0. 53Lm , Z = 79, S= 0. 8ns, IL = 5 1014W cm 2F ig. 3 A bsorp tion via irradiation intensity,experim ental results (points) w ere p resented incomparision w ith the sim ulation (solid line)on the conditions of KL = 0. 53Lm , Z= 79,S= 0. 8ns, H= 45图 3 金盘靶对 0. 53Lm 激光
15、吸收与激光辐照功率密度的关系及其与数值模拟的比较模拟条件 : KL = 0. 53Lm , Z = 79, S= 0. 8ns, H= 45F ig. 4 A ngular p rofile of X- ray em ission fromgold disk irradiated by 0. 53Lm light w ith anincident angle of 45 respect to the disk norm al图 4 0. 53Lm 激光 45辐射金盘靶时 X 光发射的角分布 , H是相对于靶面法向的角度F ig. 5 X- ray conversion of gold disk
16、 via theirraditing intensity, w ith an incident angleangle of 45图 5金盘靶的 X 光转换率与激光辐射功率密度的关系 , 入射角 H= 45理 ; 而 a b 愈大 , 说明二维效应愈强 ; a bm 1 时就趋向球形占源模型 , X 光以体发射为主 ,即 X 光发光区厚度可与其横向尺度相比拟。实验发现 X 光转换效率与激光入射角度相关性不强 , 这与 X 光转换效率的定义有关。若 X 光转换效率直接定义为靶发射 X 光能量与靶面激光能量之比 , 则也会发现 X 光转换效率随入射角增大而降低的现象。图 5 表明 , 随激光辐射功率密度的提高 , X 光转换效率降低 , 这是由于激光辐照功率812 强激光与粒子束 第 8 卷 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc C
