激光等离子体加速机制研究综述

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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 nc、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。

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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(Fp=-q2▽a02/4mw2）将电子推开，共振激发出等离子体波（尾波场）。很大的振幅和相速度使得尾波场可以在短距离内将电子加速到高能量。后续又有人提出了各种激光激发等离子体波加速电子的理论方案，比如等离子体拍频波加速（PBWA）[2]，自调制激光尾波加速（SM-LWFA）[3]和多脉冲激光共振加速（MP-LWFA）[4]。但由于受激光精品文档

。 3欢迎下载技术的限制，大多只能进行理论研究，后来基于啁啾脉冲放大技术CPA的紧凑T瓦级激光系统的出现，fs级别的超强激光脉冲的产生使得人们对LWFA单个激光脉冲直接直接加速的研究又有了进展。2002年，Pukhov和Merter提出了空泡加速机制,后续又有人发展了三维的空泡加速的非线性理论并给出了定表关系。人们还广泛研究了等离子体通道形成、激光脉冲的自导引、和电子注入机制等。

近年来等离子研究的活跃领域是激光等离子体相互作用下的离子加速，因为有广泛的潜在应用，诸如离子束治疗癌症，质子束照相，惯性约束聚变中的快点火等。高能离子束能从强激光脉冲与薄靶相互作用得到。粒子网格模拟和分析发现超薄等离子体中的辐射压力加速能产生大量的高能离子。线性调频脉冲放大技术的发展使得激光强度峰值达到I~1022W/cm2，并且电子对比率超过1010，实现了在RPA机制下产生高能量密度离子。由于离子质量相比电子很大，有质动力只有相同情况下电子的千分之一不到，在现有激光强度下无法直接加速，也无法再尾波场中加速。但是激光的能量可以通过各种机制有效的转换成电子的热能和动能，而通过这些高能电子集体运动的效应，就可以产生各种不同的离子加速机制，根据激光强度、脉宽、等离子体密度分布、厚度与形状等参数的不同，可以分为激波加速[5]、鞘场加速[6]、辐射压力加速[7]等。

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。 4欢迎下载下面是一个离子加速的示意图

无碰撞静电激波加速（CESA）是中等强度的激光在一定密度等离子体内传播激发了一个静电激波，它可以把离子反射出去实现加速作用。最先是Denavit等通过计算机模拟发现的，后来Sliva、Sorasio、Wei等都各自在不同模拟与实验中发展证实了这种机制。

鞘场加速（TNSA）是激光与固体靶作用，加热产生MeV的热电子，它们穿过固体靶在靶后形成一个鞘层电场，使得鞘背原子电离并将电离出的离子加速到很高能量，不过这种机制下能量装换效率低下，离子不具有单能性。

激光辐射压力加速（RPA）是超强激光打在薄靶上，激光的有质动力将电子压缩为一个高密度的电子薄层，产生一个很强的电荷分离场将离子拉动，这个过程反复进行使得整个薄靶被加速到很高能量，效率高且加速离子单能性较好。相比其他机制需要更大的激光强度与非常好的对比度，使得实验上比较困难。2009年Henig等人在较低激精品文档

。 5欢迎下载光强度的实验下证实了这种机制。在过去的几年里，圆偏振（CP）激光被广泛应用于RPA机制中来获得准单能离子束，因为有质动力没有振荡项，使得热电子的J×B效应大大降低，线性偏振（LP）激光或则斜入射的圆偏振激光同样也有这种效果。一维的PIC模拟显示CP激光和薄靶相互作用能产生高度单能的离子束。但是，多维的粒子模拟表明一个厚靶在激光作用下迅速变形成一个抛物线型的袋口使得大部分激光变成斜入射到靶袋内壁，产生了大量的电子加热。由于靶袋的缘故，等离子密度大大减小，导致等离子体不均匀或破裂的横向瑞利-泰勒或韦伯不稳定性也会发生，从而限制了RPA产生的离子束的品质。迄今为止，很多种方案已经被提出来改善加速离子的光谱，包括使用平顶的或超高强度的激光，特制的薄靶结构等。

基于激光等离子体相互作用过程的电磁波辐射源，如X射线源、阿秒脉冲、高次谐波[8]和太赫兹辐射[9]等。阿秒脉冲(10-18s)是原子核尺度上的电子动力学时间单位，阿秒脉冲的激光脉冲持续时间很短，需要短波辐射，可以由超短激光脉冲与气体或则等离子体的非线性光学作用产生，机制主要是高次谐波的产生。原理可以分为三步，在强电磁场作用下气体首先经历场电离的过程，随后电磁场翻转最后电子与离子重新结合发出单个高频率的光子。这个机制先是由Shore和Knight在1987年提出，后来被McPherson等人实验证实。

太赫兹辐射（1012Hz），波长300微米，具备短脉冲、宽频谱、低能量、高透射性、吸水性、瞬态性、相干性等，在成像、探测方面有广阔应用前景。1993年，H.Hamster等人最先强激光与气体和固体密度精品文档

。 6欢迎下载的等离子体相互作用在实验上观测到了相干的THz辐射。机制可以用有质动力驱动电子振荡、电子的transition-Cherenkov发射、电离电流等模型来解释，对更强的激光脉冲，Sheng等人提出了非均匀稀薄等离子体中激光激发的静电波通过线性模式转化产生THz辐射的机制。

2 存在的问题与展望

对于目前的强激光等离子体相互作用实验来说，一方面实验成本很高，另一方面在现有的实验仪器与测量手段的限制下，很多相关的物理问题并不可能进行实验研究，或者实验研究很困难。同时对于一些新颖的想法也很难有实验条件去验证。由于非线性效应的出现并在强激光下占主导地位，传统的线性理论受到极大限制，虽然我们知道激光与等离子体相互作用的基本物理规律，但一个涉及到波与波、波与粒子、粒子与粒子的多模多粒子的强非线性体系、想对其进行进行非线性的理论解析不切实际。

不过，通过高速发展的计算机进行数值模拟，我们又找到了研究强激光加速等离子体的机制的方法。计算机模拟就是根据已有的物理定律，对研究的问题建立模型构建方程组，通过数值求解的方法对物体的各种物理行为进行研究。虚拟实验不久可以反映实验问题还能测量到很多实验中很难测量的物理量，对实验反而有指导意义。等离子体数值模拟分为流体模拟和动力学模拟混合等离子体粒子模拟与磁流体模拟方法可以构成一种混合模拟程序。

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。 7欢迎下载参考文献

[1] T.Tajima ser

ElectronAccelerator.Phys.Rev.Lett.,

1979,43:267-270.

[2] C.M.Tang,P.Sprangle and R.N.Sudan.Excitation of the plasma

waves in the laser beat-wave

accelerator.Appl.phys.Lett.,1984,45:375.

[3] L.M.Gorbunov and V.I.Kirsanov.Excitation of Plasma Waves

by an Electromagnetic Wave Packet.Sov.Phys.JETP,1987,66:290.

[4] D.Umstadter,E.Esarey,and J.Kim. Nonlinear Plasma Wave

Resonantly Driven by Optimized Laser Pulse

Trains.Phys.Rev.Lett.,1994,72:1224.

[5] J.Denavit.Absorption of high-intensity subpicosecond

lasers on solid density targets.Phys.Rev.Lett.,1992,69:3052.

[6]

S.C.Wilks,ngdon,T.E.Cowan,M.Roth,M.Singh,S.Hatchett,M.H

.Key,D.Pennington,A.MacKinnon,and R.A.Snavely.Energetic

Proton ge- nerationin ultra-intense laser-solid

interactions.Phy.Plasmas,2001,8:542.

[7] R.G.Marx.Interstellar Vehicle Propelled By Terrestrial

Laser Beam. 精品文档

。 8欢迎下载 Nature,1966,211:22.

[8] P.B.Corkum.Plasma perspective on strong field multiphoton

ionizatio-

n.Phys.Rev.Lett.,1993,71:1994-1997.

[9] H.Hamster,A,Sullivan,S.Gordon,W.White,and

R.W.Falcone.Subpicos-

econd lasers on solid density

targets.Phys.Rev.Lett.,1993,71:2725-2728.

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低温等离子体处理挥发性有机物的研究进展

第

50卷第

4期

2021年

4月应用化工

Applied Chemical IndustryVol. 50 No. 4

Apr. 2021

低温等离子体处理挥发性有机物的研究进展

夏诗杨蔦米俊锋

I,杜胜男蔦邵长军

(1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁抚顺

113001 ；2,沈阳科瑞尔科技有限公司，辽宁沈阳

110000)

摘要:针对治理大气中有害物质挥发性有机物

(VOCs),阐述并归纳了吸附、冷凝、燃烧、光催化等现有处理技术

中的工艺特点，介绍了目前典型技术中极具有研究前景及应用价值的低温等离子体净化技术的工艺原理及研究进

展，综述了低温等离子体催化协同技术的催化剂分类及放置方式，重点突出催化协同对处理效果的优化作用，指出

了今后低温等离子体催化协同处理挥发性有机物的可能发展方向。

关键词:低温等离子体;挥发性有机物;催化剂;催化;优化

中图分类号:

TQ630.9

；TQ 150.9 文献标识码:

A 文章编号

：1671 -3206(2021)04-1130 - 06

Research progress of non-thermal plasma

treatment of volatile organic compounds

XIA Shi-yang1 ,MI Jun-feng1 ,DU Sheng-nan 9SHAO Chang-juri

(1. College of Petroleum Engineering, Liaoning Petrochemical University, Fushun 113001, China

；

2. Shenyang Keruier Technology Co. ,Ltd. ,Shenyang 110000,China)

Abstract: For the treatment of harmful substances volatile organic compounds ( VOCs ) in the atmosphere,

等离子体气动激励建模仿真综述

第９卷第５期　２００８年１０月　空军工程大学学报（自然科学版）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＡＩＲ　ＦＯＲＣＥ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＥＤｆｆＩＯＮ）　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．５　Ｏｃｔ．２０ｏ８　

等离子体气动激励建模仿真综述　

李应红，　梁　华，　吴　云，　王　健，　武　卫　

（空军工程大学工程学院，陕西西安７１００３８）　

摘要：等离子体流动控制是一种新概念的主动流动控制技术，已成为国际上空气动力学和气　

动热力学领域新兴的研究热点。分析了等离子体气动激励建模仿真的特点和国内外的研究现　

状，研究了目前常用的４种等离子体气动激励的建模仿真方法，对各种仿真方法的优缺点进行　

了归纳。分析了等离子体气动激励建模仿真研究的发展趋势，即今后更多的研究工作将偏向粒　子模拟方法，建模时考虑的因素会越来越多，从非定常的角度对等离子体气动激励展开研究，使　

得模型与实际物理过程更加接近；更高来流速度下的等离子体流动控制的仿真研究将增多，和　

实际应用的条件更为接近。深入的仿真研究有助于揭示等离子体气动激励及其和边界层相互　作用的物理本质，以促进等离子体流动控制技术在我国的研究和发展。　

关键词：介质阻挡放电；等离子体；气动激励；建模仿真；流动控制　中图分类号：Ｖ２３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００９—３５１６（２００８）０５—０００１一Ｏ５　

等离子体流动控制是一种新的流动控制技术，近年来已成为国际上空气动力学和气动热力学领域新兴　

的重要研究热点，美国、俄罗斯、英国、法国、德国、阿根廷等国家的研究机构在国家或军队资助下进行了广泛　的研究。等离子体流动控制的主要特点是：等离子体气动激励是电场力作用，没有运动部件、响应迅速、作用　

频带宽、便于实时控制、结构简单、能耗较低等。　大气压低温非平衡等离子体及其与边界层的相互作用，涉及等离子体物理学、空气动力学和电磁学等学　

科的交叉，其物理机制尚不十分明晰。所以开始阶段国内外等离子体流动控制领域实验研究重于理论研究，　现象报道多于机理分析，在翼型减阻增升、圆柱绕流减阻、抑制叶栅通道流动分离以及压气机叶尖间隙流动　

气体放电等离子体及应用的研究进展

石峰;王昊

【摘要】由于气体放电在材料处理、热核聚变、环境净化以及等离子体推力器等各个前沿科学领域中具有广泛的应用.为了推动气体放电及等离子体理论与应用技术的研究和发展,综述了近年来各种典型气体放电机理的发展.分析了直流辉光放电、介质阻挡放电、大气压辉光放电、电子回旋共振放电、容性耦合射频放电的国内外研究现状,最后介绍了气体放电等离子体的应用领域.%Gas discharge is the main

way to produce low temperature plasma,and exists widely in people's daily

life. Its development has a great impact on the development of high-tech

economy and the transformation of traditional indus-tries.In this paper,the

classification and principle of gas discharge,the conditions of discharge

and Characteristics of gas discharge plasma are described.Finally,the

application fields of gas discharge plasma are introduced.

【期刊名称】《真空与低温》

【年(卷),期】2018(024)002

【总页数】6页(P80-85)

【关键词】气体放电;直流放电;射频放电;介质阻挡放电;容性耦合射频放电;等离子体应用

【作者】石峰;王昊

【作者单位】河南理工大学物理与电子信息学院,河南焦作454000;河南理工大学

物理与电子信息学院,河南焦作454000 【正文语种】中文

激光烧蚀推进的研究现状及进展

该项目由中国地质大学（北京）大学生创新性实验计划项目资助　研究现状及进展　茆军兵李洋程黎鹿周惟公郑志远　中国地质大学物理实验教学示范中心　１　０００８３　本文对激光烧蚀的基本原理毒激光推进的研　究进展和研究方法进行了综述，并对激光烧　蚀挂进的爱殷蒇靠进椅　＆望　漱范烧　≮激光猿进、等蔑专俸　ｉ。｜　１引言　传统的卫星发射，需要大型的化学燃　料运载火箭（化学燃料推进的比冲较低，　约为２００—５００ｓ，有效载荷比约为１．５％，发　射成本约为１０００美元／千克），为了克服　化学燃料推进本身所具有的这些局限，人　们一直在探索一种新的发射方式来代替化　学燃料推进。激光等离子体推进的原理与　化学燃料推进的原理相同，都是利用反冲　作用来实现的，所不同的是化学燃料推进　依靠的是化学燃料的燃烧，而激光推进中　利用的是激光束辐照靶面产生的超音速喷　射的等离子体。由于克服了燃烧温度的限　制，等离子体的温度可达到ｌ　０４Ｋ，同时　比冲达ｌ　０５　Ｓ。与化学燃料相比，激光等　离子体推进技术可以将发射费用降低２个　数量级，实现近地轨道的发射费用约为几　百美元／千克，同时大大降低推进剂的消　耗。　１９７２年Ｋａｎｔｒｏｕｉｔｚ提出高能激光对火　箭的推动作用以来，人们进行了许多的研　究工作，取得了很大的进展。１９８９年Ｊ．Ｂｌａｃｋ　开始了设计研究工作　１。ｌ９９９年美国利用　激光推进将模型激光推进３９米高。在２０００　年ｌ０月的实验中，其飞行高度达７ｌ米，飞　行时间ｌ２．７秒，限制这一高度的主要原因　是缺乏更大功率的激光器。目前，在国内很　多的科研机构在这方面也进行了大量的探　索。　２激光推进原理　激光推进的基本原理是将远距离激光　ｅ｝ｌｌ　潮　：Ｅ，　Ｂ。　制翻０　能量导入推进器中的推进剂中，使其温度　急剧升高，形成高温高压气体或等离子　体，然后从喷管中喷射出来，从而产生推　力。激光等离子体推进同样需要一定的介　质作为推进剂，根据推进介质的不同，可　分为“大气呼吸模式”和“火箭模式”两种。　大气呼吸模式是以大气作为介质，利用激　光将空气离化时产生的爆轰波作为动力源　的一种推进模式。该模式的优点在于飞行　器不需要消耗自身质量，这意味着比冲可　以达到无限大；缺点在于只能应用于大气　层或低轨道的发射，超过一定高度后需要　转换推进模式。激光推进的另一种工作模　式是“火箭模式”或称为“烧蚀模式”，即　利用一定的物质作为推进剂。“火箭模式”　既可以应用于大气环境下，也可以应用于　真空环境中。　３激光烧蚀与推进的实验方法及其　特点　水平激光推进实验，试验方法是将冲　量转化成线位移，并利用高速摄影进行跟　踪拍摄。其中涉及卡尔曼滤波数据处理；　悬摆和冲击摆测量实验，将测量量转化成　角位移测量。其中存在的困难在于悬摆中　随机出现推力器平动与转动，难以描述。　但是也有优点：冲击摆式复摆，易建立数　学模型。而高速摄影无法进行高精度周期　测定。利用旋转编码器可以高精度的测　量，但激光瞬态冲击下出现严重扰动，导　图１　高速摄影法最大摆角测量原理图　２７２　鼹瞄　÷　．　秀　致最大角度测定失真。　目前的研究方法集中在悬摆和冲击摆　测量，如图ｌ所示，其主要特点是精度　高，可重复实验，对比效果明显。由于　问题的存在，许多实验人员对实验方法进　行了改进，洪延姬小组提出复摆冲量测量　系统以增量式旋转编码器为核心部件，用　以提供复摆系统小阻尼转轴和无振动条件　下的高精度周期测量和振幅监测。为了精　确测定周期，实验前先通过冲量缓慢加载　小角度情况下利用编码器进行复摆系统固　有参数的标定，再用高速摄影机记录最大　角度，其原理如图ｌ。　这种方法测定的耦合系数表达式为　Ｏｎ＝　等翮（１）　式中Ｌ为脉冲激光所产生推力的力　臂，是激光推力器轴线到编码器转轴的距　离，为直接测量量。Ｅ为单脉冲能量，０　为最大摆角。Ｔ　为直接测量，由正负向　最大摆角的时间差值获得。Ｊ为间接测量　量，通过规则摆杆转动惯量已知的屙『生标　定复摆系统的未知转动惯量。　为了测定最大角度需要高速摄影机，　如果测量出初速度通过流体力学公式的推　导可以不用昂贵的高速摄影机，杨雁南和　王广宇等人提出的实验方案很好的解决了　这个问题。　４影响耦合系数的因素　４．１推力器构型对耦合系数及比冲的影　响　耦合系数是指在单位能量下获得的动　量大小。比冲指在单位质量烧蚀下获得的　动量大小。崔村燕等人对推力器构型与耦　合系数进行了实验在他们的实验条件下得　出结论：在喷管与聚光系统一体化设计　时，聚光系统因其同时承担聚光和喷管两　项功能而成为推力器的重要组成部分。通　过改变聚光系统内表面的母线方程，可以　改变点获区的大小、形状、点火区与聚光　系统内表面的距离及喷管长度等参数，而　彗　｝　０　Ａｉｒｐｆｅｓｓｍ＇ｅ，　

激光推进中不同状态工质性能综述

山西科技ＳＨＡＮＸＩ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２０１１年第２６卷第５期　

●应用技术　

激光推进中不同状态工质性能综述　

刘建勋１，２　

（１．国防科技大学理学院，湖南长沙，４１００７３；２．空军雷达学院，湖北武汉，４３００１９）　

摘要：激光推进是推进技术研究的一个新兴热门领域。通过调研大量的文献，介绍了激光推进　

的概念、发展优势，总结分析了气体、液体和固体工质在激光推进中的性能，介绍了依据　不同状态工质的特点提高推进性能的两种方法。　

关键词：激光推进；工质；性能　

中图分类号：ＴＮ２４９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—６４２９（２０１１）０５—００９５—０２　

１概述　

激光推进的概念是美国学者Ａｒｔｈｕｒ　Ｋａｎｔｒｏｗｉｔｚ于１９７２年提　

出的，其基本原理是将远程激光能量导入推进器，使推进剂工质　

温度急剧上升，形成高温高压气体或等离子体从喷管中喷射出　

来，从而产生推力。从是否消耗自身携带工质看，激光推进的模　

式可分为大气（呼吸）模式和火箭（烧蚀）模式。大气模式以气道　

吸入的空气作为工质，火箭模式中光船自身携带工质。　

激光推进与传统火箭推进模式相比，其突出的优点是比冲　

大、成本低、污染小、激光器可重复利用等，具有诱人的应用前　

景，吸引国际上很多研究机构及科研人员争相研究。　

２不同状态工质的性能　

２．１　气体工质　大气模式采用气体工质，直接利用大气层中的空气作为推　

进剂。由于不需要携带工质，比冲理论上为无限大，且冲量耦合　

系数为（２５～５０）×１０　Ｎ・Ｗ～。大气模式研究工质的意义不大，其研　

究重点为激光参数的选择和推进器构型的优化设计。　

但大气模式局限性也比较明显。首先，大气模式不能用于太　

空条件，仅限于离地球表面２０～３０　ｋｍ的范围内，超过这个范围　

就必须采用火箭模式。装备指挥技术学院研究人员用单脉冲能　

量为６１．４　６４．６　Ｊ的ｋｗ级ＣＯ　激光器，采用高精度冲击摆实验　

激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展

宗楠, 胡蔚敏, 王志敏, 王小军, 张申金, 薄勇, 彭钦军, 许祖彦

引用本文:宗楠, 胡蔚敏, 王志敏, 王小军, 张申金, 薄勇, 彭钦军, 许祖彦. 激光等离子体13.5 nm极紫外光刻光源进展[J]. 中国光学, 2020, 13(1): 28-42. doi: 10.3788/CO.20201301.0028ZONG Nan, HU Wei-min, WANG Zhi-min, WANG Xiao-jun, ZHANG Shen-jin, BO Yong, PENGQin-Jun, XU Zu-yan. Research progress on laser-produced plasma light source for 13.5 nm extremeultraviolet lithography[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 28-42. doi: 10.3788/CO.20201301.0028

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激光等离子体加速机制研究综述

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1 研究现状

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图1、激光强度在CPA技术突破后大幅增强

等离子体综述

摘要

对等离子体、平均自由程、德拜长度等一些概念做了详细述说。主要是分析了各种郎缪尔探针的优劣，及评价探针结构优劣的理论依据，最终得到最优化探针结构。

一、引言

1.等离子体

“等离子体”其本意是电离状态气体正负电荷大体相等，整体上处于电中性。是气态下继续加热得到的一个状态。我们知道，物质的温度实际上是用来描述其内部粒子运动的剧烈程度的，当气体温度很高时，气体的物质分子热运动加剧，相互间的碰撞就会使气体分子产生电离，这样，物质就变成由相互作用并自由运动的电子和正离子组成的混合物。物质的这种存在状态被称为物质的第四态，即等离子体态。

等离子体中并不是所有的原子都会被离子化：工艺过程中用到的冷等离子体仅仅有1-10%被离子化，余下的气体仍然保持为中性原子或分子。在更高的温度，例如热核研究，等离子体完全离化。

通常来说，粒子流是处于热平衡的，意味着原子或分子具有麦克斯韦速率分布

f(v)=A𝑒−(12⁄𝑚𝑣2𝐾𝑇⁄)（1）

A是标准因子，K是玻尔兹曼常数。T是温度，它决定了分布宽度。

在等离子体中，离子、电子和中性粒子具有自己的温度：Ti， Te， Tn。三种粒子能互相渗透，但不能充分地碰撞从而使三种粒子等温。这是由于相对于大气压下的气体，等离子体密度非常低。但是每种粒子能和自己充分碰撞从而获得麦氏分布。非常热的等离子体可能不是麦氏分布了，这个时候需要“能动理论”解释。为了方便，表示温度一般用电子电压（eV）。典型低温等离子体电子温度是1~10eV，1eV=11,600K。

等离子体被普遍认为非常难理解，相对于流体动力学或电磁学来说确实是这样。等离子体作为带电粒子流，既有粒子间的相互碰撞又会受到电场或磁场的长程力影响。还有一个原因是，大部分的等离子体相当稀薄和热以至于不能视为连续的流体。典型低温等离子体密度值是108-1012cm-3。

2.德拜长度和鞘层

等离子体是带电粒子流，它以一种复杂的方式满足麦克斯韦方程组。等离子体中电场和磁场控制带电粒子的轨道。同时，带电粒子的移动能形成电荷团，从而产生电场或电流，进而产生磁场。

激光等离子体冲击强化研究进展

摘要：本文综述了　

激光冲击强化技术的机　

理和模型，分析了激光　

冲击强化的技术特点和　

影响因素，论述了激光　湖北工业大学　付宏涛　

冲击强化在生产中的运用，并且探讨激光冲击强化与激　

光冲击成形、激光喷丸成形之间的区别，展望了激光冲击　

强化技术的应用前景。　

关键词：激光冲击强化；表面改性；应用　

０　引言　

近年来，激光等离子体冲击强化研究进展十分迅速。　

和其它表面强化技术相比较，激光冲击强化技术具有如　

下鲜明特点：（１）高压，冲击波的压力达到数ＧＰａ，乃至　

ＴＰａ量级，这是常规的机械加工难以达到的；（２）高能，激　

光束单脉冲能量达到几十焦耳，峰值功率达到ＧＷ量级，　

在１０￣２０ｎｓ内将光能转变成冲击波机械能，实现了能量　

的高效利用。并且由于激光器的重复频率只需几Ｈｚ以　

下，整个激光冲击系统的负荷仅仅３Ｏ　ｋｗ左右，是低能耗　

的加工方式；（３）超高应变率，冲击波作用时间仅仅几十　

纳秒。这使得激光等离子体冲击强化技术本身具备极大　

的研究价值。激光冲击强化与其它冲击波作用于工件的　

激光冲击成形和激光喷丸技术都是利用激光诱导的，激　

光冲击波是它们的工作之源。它们之间既有联系又有区　

别：（１）激光冲击成形是在激光冲击强化研究基础上发展　

起来的。激光冲击强化是以提高工件表面质量为目标，　

同时在工件表面产生残余应力，防止板料发生翘曲等宏　

观变形。而激光冲击成形是为了实现板料的塑性变形，　

尽管冲击后冲击区表面的粗糙度降低，但这只是附带结　

果，并不是最终目的；（２）激光喷丸成形是在激光冲击强　

化和机械喷丸的基础上发展而来的，它与冲击强化的主　

要区别是最终目的不同。喷丸成形的目的是要求得到一　

定分布的应力场，从而实现板料的宏观变形；而冲击强化　

的目的是在提高工件表面质量的同时还要防止板料发生　

翘曲等宏观变形。　

１　研究历史　

早在２Ｏ世纪６０年代人们就发现了激光脉冲可以产　

生冲击波，研究表明，随着冲击波持续作用，可以在金属　

飞秒激光等离子体通道传导能量特性的研究进展

第５卷第２期　２０１２年４月　中国光学　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｏｐｔｉｃｓ　Ｖｏ１．５　Ｎｏ．２　Ａｐｒ．２０１２　

文章编号１６７４—２９１５（２０１２）０２－０１３３—１０　

飞秒激光等离子体通道传导能量特性的研究进展　

任　玉，李付锦，董　旭，林景全　

（长春理工大学理学院，吉林长春１３００２２）　

摘要：基于强飞秒激光诱导等离子体通道的基本性质，分析了等离子体通道在传导电能和射频电磁能时的一些基本问　题。综述了飞秒激光等离子体通道传输电能和电磁能方面的新概念和新技术，重点描述了该领域近几年所取得的一些　理论及应用的最新成果。最后，展望了飞秒激光等离子体通道在传导能量技术领域中的发展趋势。　关键词：飞秒激光脉冲；等离子体通道；能量传导；电能；射频电磁能　中图分类号：ＴＮ２４１；０５３　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３７８８／Ｃ０．２０１２０５０２．０１３３　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｅｎｅｒｇｙ　ｗｉｔｈ　ｐｌａｓｍａ　ｃｈａｎｎｅｌ　

ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ　ｌａｓｅｒ　ｉｎ　ａｉｒ　

ＲＥＮ　Ｙｕ，ＬＩ　Ｆｕ—ｊｉｎ，ＤＯＮＧ　Ｘｕ，ＬＩＮ　Ｊｉｎｇ—ｑｕａｎ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ　１　３００２２，Ｃｈｉｎａ）　

Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ａｕｔｈｏｒ，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｉｎｆｉｎｇｑｕａｎ＠ＣＵＳｔ．ｅｄｕ．ｃｎ　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｌａｓｍａ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ　ｌａｓｅｒｓ，ｓｏｍｅ　ｉｓｓｕｅｓ　

ａｂｏｕｔ　ｐｌａｓｍａ　ｃｈａｎｎｅｌ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　Ｒａｄｉｏ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＲＦ）ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｎｅｗ　ｃｏｎｃｅｐｔｓ　ａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｉｓ　ｆｉｅｌｄ　ａｒｅ　ｏｖｅｒｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅ　ｌａｔｅｓｔ　ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ　

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