Compton散射下超強激光瞬態等離子體的頻率響應特性

毛建景， 張凱萍， 郝東山

(鄭州工業應用技術學院信息工程學院， 新鄭 451150)

Compton散射下超強激光瞬態等離子體的頻率響應特性

毛建景， 張凱萍， 郝東山

(鄭州工業應用技術學院信息工程學院， 新鄭 451150)

應用多光子非線性Compton散射和實驗探測的方法，對超強激光瞬態等離子體的頻率響應特性進行了研究，提出了將入射超強激光和Compton散射光作為形成等離子體碰撞頻率的新機制，給出了電子碰撞頻率的時空演化方程和實驗結果.結果表明：與散射前相比，4.17 kHz以下的功率譜線較平滑，不同時刻抖動幅度不大，且抖動的頻率降低了1.63 kHz.當頻率達到6.12 kHz時，功率譜線出現了35 mW幅度抖動，且大幅抖動的頻率降低了0.88 kHz，幅度增大了5 mW.當頻率達到9.7 kHz時，功率譜線的峰值近似于全譜峰值，且該譜線峰值的頻率降低了1.3 kHz.由4.17～9.7 kHz低頻譜產生的功率譜線縮小了0.21 kHz.超過9.1 kHz后，功率譜線抖動對功率譜線峰值的貢獻是次要的.這主要是由于散射使等離子體的高頻非線性成分增大，低頻成分縮小，且4.17～9.7 kHz中亦包含有散射貢獻的緣故.

超強激光； 瞬態等離子體； 頻率響應； 功率譜線； 多光子非線性Compton散射

1 引 言

超強激光脈沖與物質作用產生的瞬態等離子體是高溫等離子體領域一個重要研究方向[1]，它與超高速碰撞產生的瞬態等離子體特性非常相似，在實驗室即可實現，尤其在航天器對空間碎片的防護[2]、材料制備[3]、表面處理[4]、環境工程[5]等方面具有廣泛的應用前景，因此瞬態等離子體已引起了人們的高度關注和深入研究[6-9].在對瞬態等離子體頻率特性的研究中，唐恩凌等人[10-12]發現該等離子體具有以低頻為主的頻譜特性，給出了其粒子密度和能量的時空演化規律.高海林等人[13]提出將入射光和Compton散射光作為等離子體散射新機制，給出了亞皮秒超高斯脈沖在等離子體中的傳輸特性，Compton散射、離子初速對等離子體鞘層厚度的影響[15]、調制不穩定特性[16，17]、輻射阻尼效應[18]、自聚焦效應[19]、等離子體密度時演特性[20].但在對瞬態等離子體頻率響應特性的研究中，以上并未涉及非線性Compton散射的影響.實驗表明[21]，激光強度達1016W/cm2量級時，非線性Compton效應開始顯現.可見，非線性Compton散射對瞬態等離子體頻率響應特性的影響是不能忽略的.本文針對該問題進行了研究，給出了瞬態等離子體功率譜特性.

2 理論分析

若瞬態等離子體中發生Compton散射(簡稱散射)，則散射光頻為[20]

(1)

(2)

考慮到實驗中采用探針對瞬態等離子體進行診斷[10]，假定瞬態等離子體在兩個平行電極(探針和靶板)之間產生，帶電粒子在兩極間的外加電場和耦合光的電場中以角速度ωe運動，其運動方程為

[-me(Δυνe+υΔνe)-eΔEexp(iωet)]

(3)

式中，υ和Δυ、νe和Δνe分別為散射前電子速度及其擾動量、碰撞頻率及其擾動量；me為散射后電子相對論質量，且me=m0/[1-(υ+Δυ)/c2]1/2；E和ΔE分別為外加電場強度與入射激光的電場強度之和及其擾動量；式兩端第二項為散射擾動項.由式(3)，可得電子運動速度為

(4)

若電極面積為A，極間距離為d，則極間的電流為

(5)

式中，V0和ΔV0、ne和Δne分別為散射前極間外加交變電場的幅值及其擾動量、電子密度及其擾動量.散射后外加交變電壓為

V(t)+ΔV(t)≈V0sinωt+ΔV0sinωt

(6)

式(6)兩端第二項為散射擾動項.由此可得探針體系的阻抗為

(7)

等效電阻和電抗分別為

(8)

(9)

式(8)和(9)中兩端第二項為等效電阻和電抗擾動項.電子的碰撞頻率為

(10)

式中，kB為玻爾茲曼常數；Te和ΔTe、p和Δp、υm和Δυm、λeo和Δλeo分別為散射前電子溫度及其擾動(單位為eV)、氣壓及其擾動(單位為Pa)、電子方均根速率及其擾動、歸一化電子平均自由程及其擾動(單位為cm·Pa).因為散射下νe>>ω的條件成立，所以Rd>>Xd，即散射下的瞬態等離子體仍具有純電阻特性，可保證探針的兩路輸出具有同步性.

3 實驗結果及分析

采用聚焦強度和直徑分別為1016W/cm2和1 mm的激光束，靶材厚度為25 mm的2024-T4鋁靶材進行實驗，采用朗繆爾三探針測量等離子體的特征量.以激光脈沖入射到的靶點作為坐標原點，激光傳輸方向作為空間三維坐標x、y、z軸的正方向，垂直靶平面且方向向上的方向為z軸的正方向，x軸方向滿足右手螺旋定則.朗繆爾三探針的中心坐標為(-50，0.75)，將其測得等離子體粒子密度最大值3×1011/cm3作為等離子體的初始密度.實驗基本參數見表1.取等離子體耦合頻率為ωc=π/3.5，kBTe=1.2 eV.電子密度和平均自由程的表達式分別為

(11)

(12)

表1 基本實驗參數

圖1 實驗1中探針接收到的不同頻率超強激光瞬態等離子體頻譜圖

探針接收到的不同頻率等離子體的譜功率如圖1和2所示，圖1(b)～(f)中的B實線表示圖1(a)中的全譜功率.由圖1知，在4.17 kHz以下，功率譜線比較平滑，且不同時刻的抖動幅度不大，但引起抖動的頻率較散射前降低了1.63 kHz.當頻率達到6.12 kHz時，功率譜線出現了35 mW的大幅度抖動，引起大幅抖動的頻率較散射前頻率降低了0.88 kHz，幅度增大了5 mW.當頻率達到9.7 kHz時，功率譜線的峰值與圖1(a)中的全譜峰值相當，產生該譜線峰值的頻率較散射前降低了1.3 kHz.可見，4.17～9.1 kHz低頻段對功率譜線的貢獻較大，但較散射前的低頻段縮小了0.27 kHz.這主要是由于散射使等離子體的高頻非線性成分增大，低頻線性成分減小，其中4.17～9.1 kHz低頻段中亦包含有散射貢獻的緣故.

由圖2知，頻率在4.17 kHz以下，功率譜線較平滑，抖動小；當頻率達到6.12 kHz時，功率譜與圖2(a)中所示的全譜峰值相當.由圖1和圖2知，4.17～9.1 kHz低頻段對功率譜線的貢獻是主要的，且是由入射光和散射光共同決定的，但散射的貢獻是次要的.超過9.1 kHz后，功率譜線的抖動對功率譜線的峰值的貢獻是次要的，這主要是由散射決定的.

圖2 實驗2中探針接收到的不同頻率超強激光瞬態等離子體頻譜圖

Fig. 2 Power spectra of transient-plasma of extra-intense laser by probes in experiment 2

4 結 論

本文采用多光子非線性Compton散射模型瞬態等離子體頻率響應特性進行了理論分析和實驗研究，提出了將入射超強激光和多光子非線性Compton散射光作為產生等離子體碰撞頻率的新機制，給出了電子碰撞頻率的時空演化方程和實驗結果.結果表明：與散射前相比，在4.17 kHz以下，功率譜線較平滑，且不同時刻抖動幅度不大，且頻率降低了1.63 kHz.當頻率達到6.12 kHz時，功率譜線出現了35 mW的大幅度抖動，且引起大幅抖動的頻率降低了0.88 kHz，幅度增大了5 mW.當頻率達到9.1 kHz時，功率譜線的峰值近似于全譜峰值，且產生該譜線峰值的頻率降低了1.9 kHz.功率譜線主要是由4.17～9.1 kHz低頻段決定的，且低頻范圍縮小了0.27 kHz.超過9.1 kHz后，主要是由散射決定的功率譜線抖動對功率譜線峰值的貢獻是次要的.這主要是由于散射使等離子體的高頻非線性成分增大，低頻成分縮小，其中4.17～9.1 kHz低頻中亦包含有散射貢獻的緣故.

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Frequency response characteristics of transient-plasma of extra-intense laser under Compton scattering

MAO Jian-Jing， ZHANG Kai-Ping， HAO Dong-Shan

(College of Information Engineering， Zhengzhou Industrial Technology University， Xizheng 451150, China)

By using multi-photon nonlinear Compton scattering model and the means of experimental detection，the frequency response characteristics of transient-plasma of extra-intense laser were studied. A new mechanism on plasma impact frequency formed by the incident extra-intense laser and Compton scattering light was given，and the time and space evolution equation and experimental results on the electric impact frequency was given out. The results show that the power spectrum line under 4.17 kHz is milder than that before the scattering， the different time shaking extents are not big， and 1.63 kHz shaking frequencies are decreased. When the frequency is 6.12 kHz， a 35 mW shaking extent is produced in the power spectrum line， and 0.88 kHz shaking extent frequency is decreased， and 5 mW peak value is increased. When frequency is 9.7 kHz， the peak value of power spectrum line and all spectrum line peak values are almost matching， and 1.3 kHz frequency of the spectrum line peak value is decreased. 0.21 kHz power spectrum line produced by 4.17～9.7 kHz frequency spectrum is decreased. Over 9.7 kHz， the contribution on the power spectrum line shaking to the power spectrum line peak value is secondary. The causes may be that the high frequency nonlinear composition of plasma is increased by the scattering， the low frequency composition is decreased， and also there is the scattering contribution in 4.17～9.7 kHz.

Extra-intense laser； Transient-plasma； Frequency response； Power spectrum line； Multi-photon nonlinear Compton scattering

103969/j.issn.1000-0364.2015.12.016

2014-11-20

河南省基礎與前沿技術研究資助項目(092300410227)

毛建景(1980—),女，講師，碩士，主要從事激光與信號傳輸研究.

郝東山. E-mail: haodongshan1948@126.com

O383； O531

A

1000-0364(2015)06-1008-05