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

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

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

3)(中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái),北京 100012)

4)(北京師范大學(xué)天文系,北京 100875)

5)(中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所,高功率激光與物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,上海 201800)

6)(中國(guó)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)激光與等離子體相互作用過程中,可以在單位時(shí)間、單位空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)極高的能量密度,從而在實(shí)驗(yàn)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?xiàng)l件,這使得人們可以在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行激光核爆模擬[1]和實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的太赫茲輻射[6]、微波輻射[7,8]等.其中強(qiáng)激光等離子體作用中產(chǎn)生的微波輻射,是強(qiáng)場(chǎng)物理研究伊始就被觀測(cè)到的物理現(xiàn)象[9-18].頻段在幾個(gè)GHz、能夠持續(xù)百納秒量級(jí)的微波輻射在實(shí)驗(yàn)中通常被作為電磁干擾[19-21].然而,微波輻射的產(chǎn)生機(jī)制的研究還有待加深.

在美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置上(NIF),研究人員連續(xù)多年測(cè)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(chǎng)可以持續(xù)振蕩百納秒量級(jí),其頻譜主要集中在2 GHz以下,其強(qiáng)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(cè)量了脈寬0.35 ns、能量600 J、光強(qiáng)為1016W·cm—2的激光入射到靶上以后產(chǎn)生的輻射[24],其時(shí)間波形表現(xiàn)為小于50 ns的單極性輻射,頻譜集中在幾百M(fèi)Hz以下.在不同的納秒激光裝置下,微波輻射的時(shí)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(jī)制的差異引起的.通常認(rèn)為在納秒激光實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(cè)量的微波輻射場(chǎng)都呈現(xiàn)很大差異,這給人們認(rèn)識(shí)微波輻射的產(chǎn)生機(jī)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(duì)微波輻射特征和其機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究的實(shí)驗(yàn)?zāi)壳斑€相對(duì)較少.為了更清楚地認(rèn)識(shí)微波輻射的產(chǎn)生機(jī)制,需要系統(tǒng)地研究實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)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(qiáng)度,系統(tǒng)地研究了微波輻射強(qiáng)度的變化,表征了不同激光強(qiáng)度下輻射場(chǎng)的時(shí)域波形和頻譜特征的變化規(guī)律.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在較低激光強(qiáng)度下,輻射強(qiáng)度隨激光強(qiáng)度的增加先增加后減小,輻射場(chǎng)時(shí)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(qiáng)度下,輻射強(qiáng)度隨激光強(qiáng)度的增加而增加,輻射場(chǎng)時(shí)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(jī)制隨激光強(qiáng)度的變化,認(rèn)為較低激光強(qiáng)度下偶極輻射起主導(dǎo)作用,而較高激光強(qiáng)度下靶上電子束向真空出射更重要.

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在神光Ⅱ高功率激光裝置上運(yùn)行,實(shí)驗(yàn)布局圖如圖1所示.與激光作用的靶為一個(gè)直徑10 mm、厚1 mm的銅平面靶.靶與靶架之間用5 cm長(zhǎng)的絕緣材料相連,避免了接地的靶室與靶之間形成過強(qiáng)的電流振蕩,干擾對(duì)微波輻射機(jī)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(zhǎng)351 nm,脈寬1 ns,焦斑直徑(半高全寬)150 μm.實(shí)驗(yàn)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(gè)相同的單極探測(cè)天線,其位置均在靶室中心以下13 cm的平面內(nèi).四個(gè)探測(cè)天線中心的坐標(biāo)如圖1所示.探測(cè)天線的信號(hào)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(zhǎng)的同軸線纜以及功率衰減器后,用同一臺(tái)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(shí)驗(yàn)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(cè)面的瞬時(shí)輻射功率為P1=A·S,其中A(5 cm2)為天線的有效探測(cè)面積;S為瞬時(shí)電磁場(chǎng)能流密度的幅值,它與輻射電場(chǎng)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(cè)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(cè)面的瞬時(shí)輻射功率與示波器測(cè)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(shí)驗(yàn)中總衰減為58 dB.通過示波器測(cè)量值與輻射電場(chǎng)之間的關(guān)系,單極天線可用來表征輻射電磁場(chǎng)的電場(chǎng)信息.單極天線的有效探測(cè)頻段在2.2 GHz以下,示波器的有效探測(cè)頻段在3 GHz以下,因而測(cè)量的電場(chǎng)主要對(duì)應(yīng)頻段在2.2 GHz以下的輻射場(chǎng).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)到靶面的激光強(qiáng)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(chǎng)峰的幅值隨激光強(qiáng)度的變化如圖2所示.在激光強(qiáng)度從5.7×1014W/cm2增加到1.5×1015W/cm2的過程中輻射場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增加;繼續(xù)增加激光強(qiáng)度到2.9×1015W/cm2,輻射場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減小;在2.9×1015W/cm2以上,增加激光強(qiáng)度又會(huì)引起輻射場(chǎng)強(qiáng)度的緩慢增加.在連續(xù)增加激光強(qiáng)度的過程中,輻射場(chǎng)強(qiáng)度并非單調(diào)增加,這不同于以往實(shí)驗(yàn)中人們發(fā)現(xiàn)的激光強(qiáng)度越高,輻射越強(qiáng)的現(xiàn)象[23].整體上靶前3個(gè)方向的輻射場(chǎng)強(qiáng)度高于靶后的輻射場(chǎng),這說明輻射場(chǎng)主要集中在靶前.由于實(shí)驗(yàn)采用了1 mm厚度的銅靶與激光相互作用,激光不會(huì)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(qiáng)度下,四個(gè)方向上對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)峰幅值Fig.2.PeakE-field magnitude versus laser intensity in the four different directions.

圖3 入射激光強(qiáng)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(shí),靶前靠近法線方向上的電場(chǎng)時(shí)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(qiáng)度下,靶前靠近法線方向的單極天線-3測(cè)量的電場(chǎng)時(shí)間波形.在激光強(qiáng)度低于2.0×1015W/cm2時(shí),電場(chǎng)持續(xù)振蕩數(shù)十納秒;激光強(qiáng)度高于2.0×1015W/cm2時(shí),則不會(huì)產(chǎn)生振蕩的電場(chǎng),僅有一個(gè)單極性的輻射峰.進(jìn)一步對(duì)輻射電場(chǎng)做傅里葉變換,得到輻射場(chǎng)的頻譜如圖4所示.激光強(qiáng)度低于2.0×1015W/cm2時(shí),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(qiáng)度高于2.0×1015W/cm2時(shí),輻射頻譜主要集中在0.3 GHz以下.

圖4 入射激光強(qiáng)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(shí),靶前靠近法線方向上電場(chǎng)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(qiáng)度下,激光與靶相互作用產(chǎn)生的輻射場(chǎng)波形與頻譜特征具有顯著差別,這表明不同強(qiáng)度的激光入射到金屬靶上,主導(dǎo)微波輻射的機(jī)制應(yīng)當(dāng)不同.在納秒激光裝置中,出射電子的時(shí)間尺度在納秒量級(jí),由于電子逃逸會(huì)在靶面形成很強(qiáng)的電勢(shì),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(jī)制會(huì)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(shí)間尺度.本文實(shí)驗(yàn)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(duì)應(yīng)的輻射基頻約為0.25 GHz.實(shí)驗(yàn)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(gè)頻率值不完全相同可能是由于高能電子首次被靶面電勢(shì)拉回的時(shí)間尺度小于1 ns.

當(dāng)激光強(qiáng)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(shì)而不容易被拉回,則偶極輻射不再起主導(dǎo)作用.此時(shí),靶上因電子束向真空出射對(duì)輻射的驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生輻射;接地的金屬靶桿會(huì)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(chǎng)波形受電子束出射波形影響,是一個(gè)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(shí)驗(yàn)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(dòng).

為了更清楚地說明不同探測(cè)方向上輻射場(chǎng)波形和頻譜特征,我們對(duì)兩個(gè)典型激光強(qiáng)度與靶相互作用的情況進(jìn)行討論.當(dāng)入射的激光強(qiáng)度為1.5×1015W/cm2時(shí),不同方向上測(cè)量的電場(chǎng)波形和頻譜分布如圖5所示.各個(gè)方向輻射場(chǎng)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(gè)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(cè)到的輻射場(chǎng).

當(dāng)入射激光強(qiáng)度為6.2×1015W/cm2時(shí),不同方向上測(cè)量的電場(chǎng)波形和頻譜分布如圖6所示.各個(gè)方向輻射場(chǎng)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(chǎng)的頻譜分析可以看到,不同強(qiáng)度的激光入射到靶上,都會(huì)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(jī)制產(chǎn)生微波輻射的效率,對(duì)比計(jì)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(gè)探測(cè)方向上,不同強(qiáng)度的激光作用于平面靶時(shí)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(qiáng)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(qiáng)度的變化規(guī)律與圖2中輻射峰幅值隨激光強(qiáng)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(qiáng)度的增加而增加.這是由于高的激光強(qiáng)度能產(chǎn)生更多的逃逸電子數(shù)從而產(chǎn)生更強(qiáng)的輻射.

圖5 入射激光強(qiáng)度為1.5×1015 W/cm2時(shí),不同方向測(cè)量的電場(chǎng)波形及其頻譜分布 (a)和(e)對(duì)應(yīng)單極天線-1;(b)和(f)對(duì)應(yīng)單極天線-2;(c)和(g)對(duì)應(yīng)單極天線-3;(d)和(h)對(duì)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(qiáng)度為6.2×1015 W/cm2時(shí),不同方向測(cè)量的電場(chǎng)波形及其頻譜分布 (a)和(e)對(duì)應(yīng)單極天線-1;(b)和(f)對(duì)應(yīng)單極天線-2;(c)和(g)對(duì)應(yīng)單極天線-3;(d)和(h)對(duì)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(cè)量的微波輻射能量隨激光強(qiáng)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(qiáng)度的增加卻不是單調(diào)變化的.在激光強(qiáng)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)條件下,(1)式括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1,括號(hào)內(nèi)第一項(xiàng)可以省略.因此可以近似認(rèn)為,偶極輻射的強(qiáng)度與Te5成正比,與靶面電子回流的時(shí)間尺度τ2成反比.在激光強(qiáng)度的增加過程中,產(chǎn)生電子回流所需的特征時(shí)間與電子溫度同時(shí)增加,使得輻射場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)度的變化規(guī)律.在激光強(qiáng)度增加的過程中,發(fā)現(xiàn)微波輻射強(qiáng)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(qiáng)度下向低頻移動(dòng).輻射場(chǎng)的時(shí)間波形和頻譜分析表明,這一現(xiàn)象是由于不同的激光強(qiáng)度作用下,產(chǎn)生微波輻射的機(jī)制不同.在較低的激光強(qiáng)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(qiáng)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(gè)GHz以下的頻段恰好對(duì)應(yīng)納秒激光與等離子體相互作用的時(shí)間尺度,對(duì)微波輻射機(jī)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(chǎng)等物理問題的理解.另一方面,明確影響微波輻射強(qiáng)度的因素,也有助于人們?cè)诔瑥?qiáng)激光裝置中合理選擇實(shí)驗(yàn)條件,以避免強(qiáng)電磁干擾的影響.

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