納秒激光等離子體相互作用過程中激光強度對微波輻射影響的研究*

姜煒曼 李玉同7)? 張喆 朱保君 張翌航 袁大偉 魏會岡 梁貴云 韓波 劉暢 原曉霞 華能朱寶強 朱健強 方志恒 王琛 黃秀光 張杰

1)(中國科學(xué)院物理研究所,北京凝聚態(tài)物理國家研究中心,北京 100190)

2)(中國科學(xué)院大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院,北京 100049)

3)(中國科學(xué)院國家天文臺,北京 100012)

4)(北京師范大學(xué)天文系,北京 100875)

5)(中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所,高功率激光與物理國家實驗室,上海 201800)

6)(中國工程物理研究院上海激光等離子體研究所,上海 201800)

7)(松山湖材料實驗室,東莞 523808)

8)(上海交通大學(xué),IFSA協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200240)

1 引 言

強激光與等離子體相互作用過程中,可以在單位時間、單位空間內(nèi)實現(xiàn)極高的能量密度,從而在實驗室中產(chǎn)生一系列原本只存在于核爆或者天體中的極端物理條件,這使得人們可以在實驗室中進(jìn)行激光核爆模擬[1]和實驗室天體物理等相關(guān)研究.在激光等離子體相互作用過程中,可以產(chǎn)生大量的高能粒子[2,3]、高亮的γ射線和X射線[4,5]、超強的太赫茲輻射[6]、微波輻射[7,8]等.其中強激光等離子體作用中產(chǎn)生的微波輻射,是強場物理研究伊始就被觀測到的物理現(xiàn)象[9-18].頻段在幾個GHz、能夠持續(xù)百納秒量級的微波輻射在實驗中通常被作為電磁干擾[19-21].然而,微波輻射的產(chǎn)生機制的研究還有待加深.

在美國國家點火裝置上(NIF),研究人員連續(xù)多年測量了納秒激光與等離子體相互作用過程中微波輻射的輻射特征[22,23].發(fā)現(xiàn)微波輻射場可以持續(xù)振蕩百納秒量級,其頻譜主要集中在2 GHz以下,其強度與激光能量之間正相關(guān).最近,又有研究者在捷克的Asterix激光裝置上測量了脈寬0.35 ns、能量600 J、光強為1016W·cm—2的激光入射到靶上以后產(chǎn)生的輻射[24],其時間波形表現(xiàn)為小于50 ns的單極性輻射,頻譜集中在幾百MHz以下.在不同的納秒激光裝置下,微波輻射的時域和頻域特征都有很大不同,這可能是由于不同激光以及靶參數(shù)條件下輻射機制的差異引起的.通常認(rèn)為在納秒激光實驗中,微波輻射可能源于偶極輻射、電四極輻射、腔室充電后的振蕩、接地金屬靶桿上的電流回流產(chǎn)生的輻射等過程[11,13,24,25].隨著實驗條件,如激光、靶、腔室等參數(shù)條件的變化,不同裝置、甚至同一裝置上不同激光發(fā)次上測量的微波輻射場都呈現(xiàn)很大差異,這給人們認(rèn)識微波輻射的產(chǎn)生機制帶來很大困擾.在大能量納秒激光與等離子體相互作用的過程中,專門針對微波輻射特征和其機制進(jìn)行系統(tǒng)研究的實驗?zāi)壳斑€相對較少.為了更清楚地認(rèn)識微波輻射的產(chǎn)生機制,需要系統(tǒng)地研究實驗參數(shù)對輻射特征的影響.

本文通過改變激光能量調(diào)節(jié)到靶面的激光強度,系統(tǒng)地研究了微波輻射強度的變化,表征了不同激光強度下輻射場的時域波形和頻譜特征的變化規(guī)律.實驗發(fā)現(xiàn)：在較低激光強度下,輻射強度隨激光強度的增加先增加后減小,輻射場時間波形呈現(xiàn)連續(xù)振蕩的特征,輻射頻譜包含低于和高于0.3 GHz兩部分分量;在較高的激光強度下,輻射強度隨激光強度的增加而增加,輻射場時間波形表現(xiàn)為數(shù)十納秒的單極性輻射,輻射頻譜主要包括0.3 GHz以下的分量.我們探討了微波輻射的主要輻射機制隨激光強度的變化,認(rèn)為較低激光強度下偶極輻射起主導(dǎo)作用,而較高激光強度下靶上電子束向真空出射更重要.

2 實 驗

實驗在神光Ⅱ高功率激光裝置上運行,實驗布局圖如圖1所示.與激光作用的靶為一個直徑10 mm、厚1 mm的銅平面靶.靶與靶架之間用5 cm長的絕緣材料相連,避免了接地的靶室與靶之間形成過強的電流振蕩,干擾對微波輻射機制的研究.銅盤南面中心位于球形真空靶室中心.神光Ⅱ裝置中單路激光最高可輸出約250 J能量,激光波長351 nm,脈寬1 ns,焦斑直徑(半高全寬)150 μm.實驗中南側(cè)4路激光可作用于銅盤南面中心,到達(dá)靶面的總能量在100—1100 J之間.在真空靶室內(nèi)部安放了四個相同的單極探測天線,其位置均在靶室中心以下13 cm的平面內(nèi).四個探測天線中心的坐標(biāo)如圖1所示.探測天線的信號通過轉(zhuǎn)接法蘭上的線纜轉(zhuǎn)接口連接到真空靶室外,經(jīng)過30 m長的同軸線纜以及功率衰減器后,用同一臺3 GHz LeCroy示波器進(jìn)行記錄.為了避免激光與靶相互作用產(chǎn)生的微波輻射直接耦合到示波器,示波器置于法拉第屏蔽箱中.

圖1 實驗布局圖Fig.1.Experimental setup.

由激光與等離子體作用區(qū)傳遞到天線探測面的瞬時輻射功率為P1=A·S,其中A(5 cm2)為天線的有效探測面積;S為瞬時電磁場能流密度的幅值,它與輻射電場E之間的關(guān)系為S=E2/377.示波器接收的輻射功率為P2=|V|2/R,其中V為示波器的測量值,R(50 Ω)為示波器的阻抗.考慮到天線到示波器之間的功率衰減,傳遞到天線探測面的瞬時輻射功率與示波器測量的輻射功率之間滿足P1=αP2,其中α為功率衰減因子,包含天線增益、線纜衰減、功率衰減器等衰減,實驗中總衰減為58 dB.通過示波器測量值與輻射電場之間的關(guān)系,單極天線可用來表征輻射電磁場的電場信息.單極天線的有效探測頻段在2.2 GHz以下,示波器的有效探測頻段在3 GHz以下,因而測量的電場主要對應(yīng)頻段在2.2 GHz以下的輻射場.

3 實驗結(jié)果與討論

在實驗中利用南側(cè)四束光路分別獲得100,130,260,360,520和1100 J的激光能量輸出,對應(yīng)到靶面的激光強度分別為5.7×1014,7.4×1014,1.5×1015,2.0×1015,2.9×1015和6.2×1015W/cm2.輻射電場峰的幅值隨激光強度的變化如圖2所示.在激光強度從5.7×1014W/cm2增加到1.5×1015W/cm2的過程中輻射場強度逐漸增加;繼續(xù)增加激光強度到2.9×1015W/cm2,輻射場強度逐漸減小;在2.9×1015W/cm2以上,增加激光強度又會引起輻射場強度的緩慢增加.在連續(xù)增加激光強度的過程中,輻射場強度并非單調(diào)增加,這不同于以往實驗中人們發(fā)現(xiàn)的激光強度越高,輻射越強的現(xiàn)象[23].整體上靶前3個方向的輻射場強度高于靶后的輻射場,這說明輻射場主要集中在靶前.由于實驗采用了1 mm厚度的銅靶與激光相互作用,激光不會穿過如此厚的靶,并在靶后有效地激發(fā)等離子體,因此微波輻射主要與靶前的等離子體行為相關(guān).

圖2 不同激光強度下,四個方向上對應(yīng)的電場峰幅值Fig.2.PeakE-field magnitude versus laser intensity in the four different directions.

圖3 入射激光強度分別為(a)5.7×1014,(b)7.4×1014,(c)1.5×1015,(d)2.0×1015,(e)2.9×1015,(f)6.2×1015 W/cm2時,靶前靠近法線方向上的電場時間波形Fig.3.Electric field waveforms detected by the monopole antenna-3 at laser intensities of (a)5.7×1014,(b)7.4×1014,(c)1.5×1015,(d)2.0×1015,(e)2.9×1015,and(f)6.2×1015 W/cm2.

圖3展示了不同激光強度下,靶前靠近法線方向的單極天線-3測量的電場時間波形.在激光強度低于2.0×1015W/cm2時,電場持續(xù)振蕩數(shù)十納秒;激光強度高于2.0×1015W/cm2時,則不會產(chǎn)生振蕩的電場,僅有一個單極性的輻射峰.進(jìn)一步對輻射電場做傅里葉變換,得到輻射場的頻譜如圖4所示.激光強度低于2.0×1015W/cm2時,輻射頻譜主要包含低于0.3 GHz和高于0.3 GHz的兩部分連續(xù)譜.激光強度高于2.0×1015W/cm2時,輻射頻譜主要集中在0.3 GHz以下.

圖4 入射激光強度分別為(a)5.7×1014,(b)7.4×1014,(c)1.5×1015,(d)2.0×1015,(e)2.9×1015,(f)6.2×1015 W/cm2時,靶前靠近法線方向上電場的頻譜分布Fig.4.Frequency spectra of the electric fields detected by the monopole antenna-3 at laser intensities of (a)5.7×1014,(b)7.4×1014,(c)1.5×1015,(d)2.0×1015,(e)2.9×1015,and (f)6.2×1015 W/cm2.

在較高和較低的激光強度下,激光與靶相互作用產(chǎn)生的輻射場波形與頻譜特征具有顯著差別,這表明不同強度的激光入射到金屬靶上,主導(dǎo)微波輻射的機制應(yīng)當(dāng)不同.在納秒激光裝置中,出射電子的時間尺度在納秒量級,由于電子逃逸會在靶面形成很強的電勢,反過來引起高能電子向靶面回流,激發(fā)偶極輻射.根據(jù)Felber[13]提出的偶極輻射的模型,這一機制會產(chǎn)生以1/4τ為基頻的輻射,其中τ為激光與物質(zhì)作用形成靶面電子回流的時間尺度.本文實驗中,脈寬為1 ns的激光,可以在1 ns之內(nèi)產(chǎn)生高密的等離子體以及逃逸的高能電子,對應(yīng)的輻射基頻約為0.25 GHz.實驗中觀察到的大于0.3 GHz的輻射頻譜與這一特征頻率幾乎一致,這兩個頻率值不完全相同可能是由于高能電子首次被靶面電勢拉回的時間尺度小于1 ns.

當(dāng)激光強度增加到一定程度,被加熱的高能電子具有更高的能量,可以克服靶面電勢而不容易被拉回,則偶極輻射不再起主導(dǎo)作用.此時,靶上因電子束向真空出射對輻射的驅(qū)動作用得以體現(xiàn).文獻(xiàn)[24,26,27]利用納秒激光與平面靶相互作用，在實驗中發(fā)現(xiàn)激光作用結(jié)束后,向真空出射的電子束流可持續(xù)數(shù)十納秒.這一過程中,電子束向真空運動會產(chǎn)生輻射;接地的金屬靶桿會產(chǎn)生中和靶上電荷不平衡的電流回流,并引起輻射.其特征均表現(xiàn)為輻射場波形受電子束出射波形影響,是一個持續(xù)數(shù)十納秒的單極性脈沖.這與圖3(e)和圖3(f)中頻譜低于0.3 GHz的單極性輻射脈沖的特征一致.本文實驗中,平面靶與接地金屬腔室之間絕緣,因此輻射主要由電子束向真空出射驅(qū)動.

為了更清楚地說明不同探測方向上輻射場波形和頻譜特征,我們對兩個典型激光強度與靶相互作用的情況進(jìn)行討論.當(dāng)入射的激光強度為1.5×1015W/cm2時,不同方向上測量的電場波形和頻譜分布如圖5所示.各個方向輻射場均表現(xiàn)為數(shù)十納秒的振蕩,且其輻射頻譜均包含低于0.3 GHz和高于0.3 GHz兩個部分.偶極輻射與電子束向真空出射產(chǎn)生的輻射共同作用產(chǎn)生了觀測到的輻射場.

當(dāng)入射激光強度為6.2×1015W/cm2時,不同方向上測量的電場波形和頻譜分布如圖6所示.各個方向輻射場均表現(xiàn)為單極性脈沖,且其輻射頻譜均低于0.3 GHz,輻射由電子束向真空出射主導(dǎo).

從輻射場的頻譜分析可以看到,不同強度的激光入射到靶上,都會因電子束向真空出射產(chǎn)生低于0.3 GHz的分量.為了研究不同輻射機制產(chǎn)生微波輻射的效率,對比計算了不同方向上單位立體角內(nèi)的總輻射能、電子束向真空出射的輻射能,以及偶極輻射產(chǎn)生的輻射能.圖7(a)給出了四個探測方向上,不同強度的激光作用于平面靶時在單位立體角內(nèi)產(chǎn)生的輻射能.圖7(b)和圖7(c)分別展示了在激光強度增加的過程中,低于和高于0.3 GHz的頻率分量相應(yīng)的微波輻射能的變化規(guī)律.可以看到,不同方向上的輻射能隨激光強度的變化規(guī)律與圖2中輻射峰幅值隨激光強度的變化規(guī)律相同：輻射能先增加再減小,最后緩慢增加.由靶上電子束向真空出射引起的低于0.3 GHz的輻射能隨激光強度的增加而增加.這是由于高的激光強度能產(chǎn)生更多的逃逸電子數(shù)從而產(chǎn)生更強的輻射.

圖5 入射激光強度為1.5×1015 W/cm2時,不同方向測量的電場波形及其頻譜分布 (a)和(e)對應(yīng)單極天線-1;(b)和(f)對應(yīng)單極天線-2;(c)和(g)對應(yīng)單極天線-3;(d)和(h)對應(yīng)單極天線-4Fig.5.Electric field waveforms and their corresponding frequency spectra detected by the four monopole antennas.(a)and (e)correspond to the monopole antenna-1,(b)and (f)correspond to the monopole antenna-2,(c)and (g)correspond to the monopole antenna-3,(d)and (h)correspond to the monopole antenna-4.The laser intensity is 1.5×1015 W/cm2.

圖6 入射激光強度為6.2×1015 W/cm2時,不同方向測量的電場波形及其頻譜分布 (a)和(e)對應(yīng)單極天線-1;(b)和(f)對應(yīng)單極天線-2;(c)和(g)對應(yīng)單極天線-3;(d)和(h)對應(yīng)單極天線-4Fig.6.Electric field waveforms and their corresponding frequency spectra detected by the four monopole antennas.(a)and (e)correspond to the monopole antenna-1,(b)and (f)correspond to the monopole antenna-2,(c)and (g)correspond to the monopole antenna-3,(d)and (h)correspond to the monopole antenna-4.The laser intensity is 6.2×1015 W/cm2.

圖7 不同方向測量的微波輻射能量隨激光強度的變化(a)單位立體角內(nèi)產(chǎn)生的總輻射能;(b)單位立體角內(nèi)產(chǎn)生的0.3 GHz以下的輻射能;(c)單位立體角內(nèi)產(chǎn)生的0.3 GHz以上的輻射能Fig.7.Radiation energy versus laser intensity at different directions：(a)Total radiation energy detected by the antennas;(b)radiation energy at frequencies lower than 0.3 GHz;(c)radiation energy at frequencies upper than 0.3 GHz.

由偶極輻射產(chǎn)生的頻率高于0.3 GHz的輻射能,隨激光強度的增加卻不是單調(diào)變化的.在激光強度由5.7×1014W/cm2增加到2.9×1015W/cm2的過程中輻射能先增加后減小;激光強度繼續(xù)增加,由于逃逸電子再被拉回靶面的效率很低,因此產(chǎn)生偶極輻射的效率很低.根據(jù)靶面電子回流產(chǎn)生偶極輻射的模型,輻射總功率為[13]：

式中,a為電子回流區(qū)半徑;Te為臨界密度面附近的電子溫度;σ為斯必澤電導(dǎo)率,它與Te3/2成正比.在本文實驗條件下,(1)式括號內(nèi)第二項遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1,括號內(nèi)第一項可以省略.因此可以近似認(rèn)為,偶極輻射的強度與Te5成正比,與靶面電子回流的時間尺度τ2成反比.在激光強度的增加過程中,產(chǎn)生電子回流所需的特征時間與電子溫度同時增加,使得輻射場強度以及能量受二者的共同作用,產(chǎn)生了圖7(c)所示的非單調(diào)變化關(guān)系.

4 結(jié) 論

本文在神光Ⅱ高功率激光裝置上研究了大能量納秒激光與平面靶相互作用過程中,GHz頻段內(nèi)的微波輻射隨激光強度的變化規(guī)律.在激光強度增加的過程中,發(fā)現(xiàn)微波輻射強度非單調(diào)增加,輻射波形由持續(xù)振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)閱螛O性輻射,輻射頻譜在高激光強度下向低頻移動.輻射場的時間波形和頻譜分析表明,這一現(xiàn)象是由于不同的激光強度作用下,產(chǎn)生微波輻射的機制不同.在較低的激光強度下,微波輻射由偶極輻射和靶上電子束向真空出射共同作用產(chǎn)生,而偶極輻射占主導(dǎo)作用;在較高的激光強度下,偶極輻射不再起作用,微波輻射主要由靶上電子束向真空出射產(chǎn)生.由于幾個GHz以下的頻段恰好對應(yīng)納秒激光與等離子體相互作用的時間尺度,對微波輻射機制的理解有助于加深激光與等離子體相互作用過程中逃逸電子、靶面鞘層場等物理問題的理解.另一方面,明確影響微波輻射強度的因素,也有助于人們在超強激光裝置中合理選擇實驗條件,以避免強電磁干擾的影響.

感謝在上海神光Ⅱ高功率激光實驗裝置相關(guān)部門工作的所有員工對本文實驗所做的貢獻(xiàn).