激光等离子体相互作用的数值模拟.pdfVIP

第19卷 第12期 强 激 光 与 粒 子 束 Vo1．19，No．12 2007年12月 HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS Dec．，2007 文章编号： 1001—4322(2007)12—2039—04 激光等离子体相互作用的数值模拟 张海鸥 ， 王 琨。， 王桂兰。 (1．华中科技大学数字装备制造与技术国家重点实验室，武汉 430074 2．华中科技大学塑性成形模拟与模具国家重点实验室，武汉 430074) 摘 要： 基于激光等离子体相互作用的复杂物理过程的数学模型，采用PIC方法分别研究了P极化和s 极化非均匀短脉冲强激光入射均匀分布的稠密等离子体时引起的空泡、成丝等物理现象。模拟了激光脉冲在 真空中的3维传播形貌。由3维密度分布图发现：激光产生的巨大的有质动力向两侧推动粒子，形成等离子体 密度通道；当激光脉冲入射等离子体区域后，纵向加速的电子速度峰值出现在电流峰值处。 关键词： 激光等离子体； 数值模拟； 激光脉冲形貌； 脉冲宽度 中图分类号： TN248．7；0242．1 文献标识码： A 激光等离子体相互作用物理是随着激光技术、激光聚变以及激光与等离子体相互作用研究的刺激而发展 起来的新兴学科_】]。由于相对论激光等离子体相互作用过程具有强的非线性，波一粒子相互作用复杂且难以测 试，解析求解十分困难，因此粒子模拟成为了其重要的研究手段之一_2]。在等离子体数值模拟方面和Eldridge 等人_3 创立了一种在微型计算机上易于实现的粒子模拟方法，S．Mahalingam等_4]采用此方法模拟了离子引擎 内的放电腔内的初级电子、二次电子以及离子的运动。陆全明等[5 采用1维粒子模拟方法数值研究了超短超 强激光和稠密等离子体的相互作用过程，并建立了2维粒子模拟系统应用于空间物理。常文蔚等 ]自行编制 3．5维程序，模拟了大量的激光等离子体相互作用的物理现象，并实现了并行计算，提高了模拟速度。但是，以 上模型和方法均是2维或2．5维，难以对某些物理现象清楚描述。本文基于激光等离子体相互作用的复杂物 理过程的2．5维数学模型，在建立激光等离子体相互作用的复杂物理过程中的2维电子空间相图、电子动能 图、电子速度分布图的基础上，采用3维图像，分析了激光等离子体相互作用时产生的典型物理现象。 1 物理模型 激光入射等离子体区域模型如图1所示。激光脉冲从 模拟区域的左边界沿z轴方向入射，首先进入真空区，当激 光脉冲稳定后入射等离子体区。2维计算区域为图1中阴 影的等离子体区域及空白的真空区域，等离子体区域由电 子和Ar 离子组成，左边界采用高斯激光入射边界，右边界 采用理想导体边界，上下边界采用溢出吸收边界。 激光入射等离子体物理过程复杂，影响因素众多，为了 建立适合描述激光等离子体相互作用的数学模型，作如下 假设：①激光脉冲沿边界的空间横向剖面为高斯型，随时间 变化为梯形；②等离子体区内仅有电子和离子具有初始速度；③为了避免激光在空气中传播时复杂的电离过 程，假设激光在到达等离子体表面前首先穿过真空区域；④粒子在Y方向取周期性边界条件，系统左端与等离 子体之间的真空区域足够大，允许等离子体自由膨胀。 2 计算结果及分析 计算所取的2维(z， )系统尺寸为6 。×6 。(激光在真空中的波长 。一1．06 m)，分成256×128个网格。 初始时刻等离子体在z==：O～2．4 。为真空，在z一2．4 。～6．O 。处是均匀分布，其密度为4×10 cm～。z方 向左边界为Lindman边界，右边界为良导体边界，Y方向为周期性边界条件。P极化和S极化激光分别从左边 * 收稿日期：2006—09—19； 修订日期：2007—05—17 基金项目：国家自然科学基金资助课题 作者简介：张海鸥(1955一)，男，东京大学博士，博士生导师，教授，主要从事数字装备制造与技术的研究；zholab@mail．hust．edu．cn。 强 激 光 与 粒 子 束