等离子体中激光场的吸收机制
相对论效应对强激光在非均匀等离子体介质中吸收的影响
相对论效应对强激光在非均匀等离子体介质中吸收的影响马锦秀;盛政明;徐至展
【期刊名称】《量子电子学报》
【年(卷),期】1992()1
【摘要】随着激光新技术的发展,超短脉冲强激光打靶成为目前激光等离子体领域的一个新动向。
超短脉冲打靶能产生超短scale-lensth的表面等离子体层,激光在这样的等离子体层中的吸收问题又引起人们新的研究兴趣。
对于斜入射p偏振(E 矢量平行入射面)激光,存在两种吸收机制,一种是普通的碰撞阻尼引起的吸收。
【总页数】2页(P9-10)
【关键词】非均匀等离子体;相对论;强激光;等离子体波;超短脉冲;共振吸收;模式转换;激光打靶;临界面;中国科学院
【作者】马锦秀;盛政明;徐至展
【作者单位】中国科学院上海光学精密机械研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN201-55
【相关文献】
1.强激光在非均匀磁化电子-正电子-离子等离子体中的传播 [J], 洪学仁;景敏;石玉仁;成丽红
2.含时电离对飞秒脉冲激光在强双光子吸收介质中传播特性和光限幅行为的影响[J], 孙玉萍;刘纪彩;王传奎
3.相对论效应对激光在等离子体中的共振吸收的影响 [J], 徐慧;盛政明;张杰
4.相对论强激光在等离子体中传输的成丝不稳定性和斑图动力学 [J], 黄太武;周沧涛;贺贤土;
5.相对论长脉冲激光在非均匀等离子体中的传播特性 [J], 薛具奎;黄茂;张小波;张爱霞;唐荣安
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激光与等离子体相互作用的研究
激光与等离子体相互作用的研究激光技术近年来在众多领域中得到广泛应用，其中之一就是与等离子体相互作用。
等离子体是一种由电离的气体分子和自由电子组成的高度激发态物质，具有独特的物理性质。
激光与等离子体的相互作用不仅对于基础物理研究具有重要意义，还在激光制造、等离子体医学和聚变能源等方面有着广泛应用。
激光与等离子体相互作用的过程非常复杂。
首先，当激光束照射到等离子体上时，激光的能量被等离子体吸收，导致等离子体的电离程度增加。
这个过程被称为光电离。
激光的能量可以通过一个或多个电子吸收，从而使电子跃迁到更高的能级。
这些高能级的电子会激发等离子体中的其他粒子，形成一系列复杂的等离子体激发态。
其次，激光与等离子体相互作用还会产生等离子体动力学效应。
激光束照射到等离子体表面时，激光的能量可以引起等离子体的电子和离子流动，产生电场和磁场效应。
这些效应可以用来控制等离子体的运动和形态，从而实现等离子体加热、激发和控制。
另外，激光与等离子体相互作用还可以产生等离子体中的非线性效应。
非线性效应在强激光作用下显现出来，包括激光增益降低、激光穿透深度减小、激光波长变化等现象。
这些非线性效应对于激光与等离子体的相互作用机制有着重要影响。
激光与等离子体相互作用的研究不仅有理论意义，还有实际应用价值。
在激光制造领域，激光与等离子体相互作用可以用来进行材料加工和表面改性。
通过调节激光参数和等离子体性质，可以实现对材料的微观结构和性能的精确控制。
这种技术已经被广泛应用于电子元器件、光学器件和航空航天制造等领域。
此外，激光与等离子体相互作用还在等离子体医学中发挥重要作用。
激光可以用来治疗肿瘤、促进创伤愈合和改善皮肤状况。
激光照射到患者身体上的等离子体激发了一系列生物化学反应，从而达到治疗和修复的效果。
最后，在聚变能源领域，激光与等离子体的相互作用对于实现可控核聚变具有重要意义。
激光束可以用来加热和挤压等离子体，从而实现聚变反应的发生。
激光诱导等离子体的过程
激光诱导等离子体的过程
激光诱导等离子体（Laser-Induced Plasma, LIP）是一种利用激光脉冲产生高温等离子体的过程。
其主要过程如下：
1.激光吸收：当高功率激光束照射到物质表面时，
由于光的能量被物质吸收，物质表面的温度会快速升高。
2.离子化：当物质表面的温度升高到足够高的程度
时，原子和分子开始失去电子，形成等离子体。
这个过程通常被称为离子化或电离。
3.等离子体形成：一旦开始产生离子，它们会和其
他的自由电子、离子、原子等一起形成一个高温、高压的等离子体云团。
4.等离子体膨胀：由于等离子体的温度非常高，它
们会开始向周围膨胀，释放出大量的能量。
这个过程会伴随着强烈的光辐射、声波、冲击波等现象。
激光诱导等离子体的产生是一个极其快速和瞬态的过程，其形成的等离子体通常只存在几纳秒或几十纳秒的时间。
尽管如此，这种过程在工业、医学、科学研究等领域都有着广泛的应用，例如用于激光打印、激光切割、激光检测、生物医学治疗等等。
激光等离子体加速机制研究综述
激光等离子体加速机制研究综述1 研究现状随着激光技术的发展，激光强度不断增强，脉宽不断缩短，对激光等离子体相互作用的研究开辟出了许多新的领域。
激光与等离子体相互作用与激光的强度、波长、脉宽，等离子体状态参数（最主要是密度）密切相关。
随着激光强度变大，开始是线性响应，然后随着激光不断增强，非线性效应和相对论效应开始占主导。
当强度超过1018W/cm2电子的相对论效应必须考虑，加剧了理论研究难度但也催生了更多的物理现象产生。
比如非线性波跛、超高能粒子产生、相对论孤子和涡旋。
而根据等离子体的密度不同，激光与等离子体作用可以分为稀薄等离子体（同气体靶作用）和稠密等离子体（同液、固体作用）。
对于1微米的激光，能在等离子体中传播的临界密度是1.1×1021cm-3，介于气体密度与固液密度之间。
激光脉宽的减小使得激光等离子体相互作用出现新的物理现象。
fs级别的脉宽，对稀薄等离子体可以通过直接的LWFA来加速电子。
超短超强激光驱动电子等离子体加速电子，可获得能量高达1GeV、电荷接近1 n c、方向性优良、能散度小的高性能电子束，从而在高能加速器、聚变物理、短脉冲高亮度X光源产生、实现小型化自由电子激光等领域都有重大的应用价值。
研究激光同等离子体如何作用及粒子加速的机制具有非常重要的意义与价值。
图1、激光强度在CPA技术突破后大幅增强首先，激光同等离子体作用的第一步是材料对激光的吸收，除了普通的逆轫致吸收和共振吸收，在高强度相对论激光还有很多吸收机制，比如真空加热，J×B加热，有质动力直接加速离子，鞘场加速等等，下面根据加速粒子不同逐一介绍各种加速机制1979年,Tajima和Dawson提出用强激光脉冲激发等离子体波来加速电子的机制，这就是直接激光尾场加速（LWFA）[1]，原理是超强超短激光脉冲在稀薄等离子体中传播时，纵向的非线性力——有质动力(F p=-q2▽a02/4mw2）将电子推开，共振激发出等离子体波（尾波场）。
等离子体中光子加速的原理
等离子体中光子加速的原理等离子体中光子加速的原理是基于等离子体中高强度激光场与等离子体粒子相互作用的一种加速机制。
等离子体可以看作是由正负电荷粒子（即离子和电子）组成的带电气体，当光子与等离子体相互作用时，可以通过电磁场对离子和电子进行加速，实现光子加速。
在等离子体中，高强度激光场产生的强电磁场可以将等离子体中的自由电子进行有效地加热和加速。
由于等离子体的带电性质，光子与等离子体发生相互作用时，会感受到等离子体中存在的电磁场，并与其相互作用。
激光场与电子的相互作用主要通过电场力和洛伦兹力实现。
当高强度激光束入射到等离子体中时，激光光子与电子相互作用的过程可以分为三个阶段：吸收、传输和退耦。
首先，当激光束入射到等离子体的外围时，激光光子会被等离子体电子吸收，将光子能量转化为电子能量。
吸收过程中，激光场电场作用在等离子体电子上，产生驱动电流，这个电流的方向和幅度受到激光电磁场的驱动。
随着光子被吸收，激光场能量会传递到等离子体电子，电子会被推动产生电流，并与激光光子频率一致地振荡。
这个电流产生一个强磁场，与激光光子的电场形成相互作用，使光子的能量传输到电子上。
最后，当光子与等离子体电子之间达到平衡时，吸收过程完成。
此时，激光能量已经通过等离子体电子传递到了电子。
由于等离子体电子具有质量，因此它们在激光电场中会受到洛伦兹力的加速。
通过这种方式，光子的能量可以有效地转移到电子上，实现光子加速。
光子加速过程中，当激光束射入等离子体并与电子相互作用时，激光束与等离子体之间会建立起强电磁场产生的复杂相互作用关系，从而实现光子能量的传输和电子的加速。
等离子体中光子加速的原理实际上是通过激光场与等离子体粒子相互作用的方式，将光子的能量转换为等离子体电子的动能。
这种加速机制不仅可以用于光子加速，还可以应用于等离子体聚变等领域。
等离子体中激光场的吸收机制
等离子体对激光的吸收机制：超强激光在等离子体中传播时，在临界密度以下区域，激光能够直接进入，在临界密度附近，激光被等离子体反射。
激光在和等离子体的作用过程中，一部分电子被加速而引起电荷分离并产生静电场形成静电势阱，高速电子可以逃逸出此势阱进而增强电荷分离，电子可在此静电势阱中振荡并被加速，最后静电势阱被破坏把能量交给等离子体。
正常吸收：逆韧致吸收：等离子体中的电子受激光场加速时，在等离子体的离子库仑场附近散射引起的经典吸收过程。
它对电子密度很敏感，它是短波长激光的主要吸收机制，而且主要发生在临界面附近的地方。
非线性逆韧致吸收：当激光足够强时，电子的振荡速度会超过电子热速度，此时电子速度分布就会和电场有关，变成非线性逆韧致吸收。
此时，激光电场可以和原子核的电场相比，还会发生多光子过程。
非线性吸收系数大大偏离线性吸收系数。
但在激光核聚变的范围内不会有重要偏离。
该系数与53E 有关。
反常吸收：通过波-波相互作用和波-粒子相互作用使电子获得能量的过程通过静电波加速和加热电子 通过朗道阻尼和波的破裂把波的能量交给电子 这主要发生在小于和等于临界密度区-----晕区物理 共振吸收；受激散射；成丝现象；参量不稳定性吸收共振吸收(RA)：随着激光强度的增加，共振吸收变得重要。
当平面极化激光斜入射时发生共振吸收，由于在临界面处共振激发电子等离子体振荡，故称共振吸收。
斜入射的P 极化（电场平行于入射面）激光束激发等离子体波，在临界面附近可以发生共振吸收。
沿着电子密度梯度方向的激光电场将导致等离子体电荷分离，引起等离子体振荡。
在临界点处的等离子体频率等于激光频率，因而发生共振，使电场强度（这应该是等离子体中的电场强度）的振幅变得很大，导致激光共振吸收。
它是波的模式的一种转换，横向的电磁波变成了纵向的静电波。
此静电波沿电子密度梯度方向向低密度等离子体中传播（共振处的电场强度最大，逆着激光传播方向，电场强度依次降低，使得静电波逆着激光传播方向进行传播），群速度逐渐增加，电场强度的振幅逐渐减少。
激光等离子体相互作用的能量吸收机制
激光等离子体相互作用的能量吸收机制
激光等离子体相互作用的能量吸收机制，是一种通过激光与等离子体相互作用来实现能量传递和吸收的过程。
这种机制是基于以下几个原理和过程。
1. 激光与等离子体相互作用的电场耦合效应：激光束的电场能够与等离子体中的自由电子作用，并通过电子的电荷加速和减速来传递能量。
2. 等离子体反射和折射：等离子体具有特定的折射率和反射率，可以通过调节激光束的入射角度和等离子体参数来影响激光能量的吸收。
3. 等离子体吸收激光能量的共振吸收效应：等离子体的特定频率范围内，其自然振荡频率与激光束的频率相匹配，从而实现最大能量吸收效果。
4. 等离子体与激光束的碰撞吸收：激光束与等离子体中的原子或分子发生碰撞，使得它们处于高能级状态，并通过辐射、电离和复合等过程来释放能量。
5. 等离子体的冷却和热化过程：激光束的能量吸收最终导致等离子体的加热。
等离子体通过电子碰撞传递能量，可以通过辐射、热传导和热扩散等过程来冷却或热化。
这些机制和过程的综合作用，可以实现激光与等离子体之间的能量转移和吸收效果。
通过改变激光的参数、等离子体的性质和结构以及相互作用的环境条件，我们可以控制和优化这种能量吸收机制，从而实现对等离子体的精确控制和处理。
金属吸收激光的原理
金属吸收激光的原理金属吸收激光的原理是指当激光入射到金属表面时，会被吸收并转化为热能，从而使金属的温度升高，发生熔化或蒸发等现象。
这一原理是由多种作用机制组合而成的，包括光子-电子相互作用、等离子体效应、空间电荷效应等。
下面将从这些方面详细解释金属吸收激光的原理。
首先，光子-电子相互作用。
当激光照射到金属表面时，它的能量被吸收，然后被金属中的自由电子吸收。
这些自由电子因为受到高能光子的轰击而受激而进入高能态，从而使金属表面的温度升高。
此时，自由电子会经历能量耗散过程，其中一部分能量会以热传递的形式散发出来，导致金属表面温度的提高。
这种机制是金属吸收激光的一个重要原因。
其次，等离子体效应。
当激光照射到金属表面时，金属中存在大量的自由电子，这些自由电子会被高能光子激发，进入高能态形成等离子体。
等离子体可以吸收光的能量，进而导致金属表面的温度升高。
这一机制也是金属吸收激光的重要原因之一。
第三，空间电荷效应。
当金属表面受到激光照射时，由于电场的存在，自由电子会聚集成束，从而形成空间电荷效应。
这种效应会使自由电子更容易与光子相互作用，相应地导致金属表面温度的升高。
除了上述机制外，多晶金属微观结构的不连续性也会影响金属吸收激光的性能。
当激光照射在金属表面的晶粒上时，金属晶粒之间会产生互相遮挡、反射、透射等过程，这可能导致激光的强度不一，从而导致不均匀的加热结果。
综上所述，金属吸收激光的原理是一个相当复杂的过程，包括多种不同的作用机制。
这些机制的综合作用导致了金属表面温度的升高，以及一系列与金属物性相关的现象，如热膨胀，熔化和蒸发。
此外，金属的物理特性，如晶粒结构、材料性质等，在这一过程中也起着重要的作用。
因此，深入研究金属吸收激光的原理对于激光加工、能源转化、材料设计等方面都具有重要的应用价值。
金属吸收激光的原理对于现代科技的发展具有重要的应用价值。
最为普及的应用就是激光切割、激光打标、激光焊接等制造业领域。
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等离子体对激光的吸收机制：
超强激光在等离子体中传播时，在临界密度以下区域，激光能够直接进入，在
临界密度附近，激光被等离子体反射。
激光在和等离子体的作用过程中，一部分电子被加速而引起电荷分离并产生静电场形成静电势阱，高速电子可以逃逸出此势阱进而增强电荷分离，电子可在此静电势阱中振荡并被加速，最后静电势阱被破坏把能量交给等离子体。
正常吸收：
逆韧致吸收：等离子体中的电子受激光场加速时，在等离子体的离子库仑场附近散射引起
的经典吸收过程。
它对电子密度很敏感，它是短波长激光的主要吸收机制，
而且主要发生在临界面附近的地方。
非线性逆韧致吸收：当激光足够强时，电子的振荡速度会超过电子热速度，此时电子速度分
布就会和电场有关，变成非线性逆韧致吸收。
此时，激光电场可以和原
子核的电场相比，还会发生多光子过程。
非线性吸收系数大大偏离线性
吸收系数。
但在激光核聚变的范围内不会有重要偏离。
该系数与53
E 有关。
反常吸收：通过波-波相互作用和波-粒子相互作用使电子获得能量的过程
通过静电波加速和加热电子 通过朗道阻尼和波的破裂把波的能量交给电子 这主要发生在小于和等于临界密度区-----晕区物理 共振吸收；受激散射；成丝现象；参量不稳定性吸收
共振吸收(RA)：随着激光强度的增加，共振吸收变得重要。
当平面极化激光斜入射时发生共
振吸收，由于在临界面处共振激发电子等离子体振荡，故称共振吸收。
斜入
射的P 极化（电场平行于入射面）激光束激发等离子体波，在临界面附近可
以发生共振吸收。
沿着电子密度梯度方向的激光电场将导致等离子体电荷分
离，引起等离子体振荡。
在临界点处的等离子体频率等于激光频率，因而发
生共振，使电场强度（这应该是等离子体中的电场强度）的振幅变得很大，
导致激光共振吸收。
它是波的模式的一种转换，横向的电磁波变成了纵向的
静电波。
此静电波沿电子密度梯度方向向低密度等离子体中传播（共振处的电场强度最大，逆着激光传播方向，电场强度依次降低，使得静电波逆着激光传播方向进行传播），群速度逐渐增加，电场强度的振幅逐渐减少。
某些电
子在这个静电波的电场中得到加速，达到很高的速度。
这些很高速度的电子
的加速导致“波破裂”，释放出超热电子。
共振吸收是产生超热电子的重要机
制之一。
入射激光与临界密度面的反射光叠加,在临界密度以下区域形成局域
驻波, 产生的强有质动力在低密区驱动电子形成周期性密度结构Bragg 光
栅
反常表面吸收：激光垂直入射于过密等离子体时，电子离开等离子体表面薄层（该薄层内电
磁场不为零）的过程中，可以从电磁波中获得能量而得到加热。
反常表面吸收是激光与过密等离子体作用时发生的。
真空加热： 当P 偏振激光斜入射到等离子体（其密度标长L <λ）上时，真空等离子体表
面的电子被光场的垂直于界面的分量“拉”入真空中而振荡加热。
真空加热是激光斜入射时发生的。
Brunnel 所给出的真空加热的吸收系数为:
30VH 2L cos 2πE e f m c E η
θω= 其中，L E 是入射激光电场，0L sin E E ξθ=是入射和反射电场的叠加。
()th osc 1.7512v η=+。
J ×B 加热： 电子在巨大的入射激光场中产生强烈的相对论振动，并受到很大的纵向洛仑
兹力，从而产生加速。
① 激光和等离子体相互作用后产生超热电子并且产
生较弱的电荷分离场。
在此过程中，激光通过J ×B 效应加速电子。
激光场的
横向电场分量E Y 在等离子体中使电子发生横向振动，激起了横向电流J Y 。
J Y
×B Z 的结果是使电子在电流峰值处出现纵向加速的电子速度峰值。
② 电子
空穴子（密度凹陷）和静电势阱形成，电子在势阱中作纵向振荡时被加速。
当电子的能量大到超过势阱的约束时，电子就能够逃逸此区域，于是，电场
势阱中的电子逐渐被排出此区域，使密度凹陷加深，同时也使得电荷分离加
大，静电场强度增加，使得剩下的电子要获得更多的能量才能逃逸此区域。
③静电场结构被破坏，储存的静电能被交给等离子体，在此阶段不但电子可
以获得很大的加速，离子也可以得到相当大的加速。
“激光等离子体相互作
用的局域振荡电子加热机制.pdf ”
反常趋肤效应(ASE)：
壳层逆韧致吸收：
壳层穿越吸收(SIB)：
逆韧致吸收：(激光等离子体相互作用与核聚变-常铁强等)
逆韧致吸收系数主要由在电晕区中的电子-离子碰撞频率确定，可表示为
IB K = 其中
()()
4e i-e c 123220e B e ln 16π2πZn e n m k T γεΛ= e T 是电子温度，Z 是离化度，e ,e m 分别是电子的电荷和质量，
库伦对数ln Λ取值范围8~10，c 是光速，c n 激光对应的临界密度。
逆韧致吸收得到的激光能量：
()()IB 2Im 2Im 2Im W I n c
I n I k c K I
ωω=⎛⎫== ⎪⎝⎭
= 其中，()Im n 为等离子体折射率的虚部，n 为复折射率，c 为光速，I 为等离子体内部的激光强度。