超强激光在临界密度靶中的能量沉积和传输过程的动力学研究

The fast ignition of inertial confinement fusion has attracted a lot of attention because it may provide a possible method to solve the increasingly serious problem of "energy crisis". In the first stage of the fast ignition scheme, a nanosecond pre-pulse laser is used to irradiate the deuterium-tritium target uniformly and get a compressed pellet under high temperature and high pressure to be needed for fusion. Then, a beam of ultra-short ultra-intense picosecond petawatt laser is used to irradiate the compressed pellet to achieve ignition and fusion. Because the target is compressed very dense, such as higher several orders of magnitude as the critical density, the ignition process can not use the laser energy directly. It should use the high-energy particles generated near the critical plasma density and deposit their energy in the compressed pellet effectively to achieve ignition. This project intends to use the one-dimension in x-space and three-dimension in v-space (1D3V) Fokker-Planck/Vlasov kinetics simulation method to study the absorption process of laser energy near the critical dense plasma and the generation of fast accelerated electrons. The charge separation field and acceleration of ions when fast electrons transport to higher density plasma, generation of reflux DC electric field and energy deposition process through excitation of large amplitude Langmuir wave et al.. These studies can accurately estimate the laser energy required for ignition, and have a very important guiding significance for the realization of fast ignition laser fusion research.

“快点火”激光核聚变因有望解决日益严重的“能源危机”而倍受关注。它先用纳秒强激光均匀照射、烧蚀、压缩氘氚燃料靶丸到高温高密条件，然后用一束超短超强的皮秒拍瓦激光照射靶丸实现局部点火、聚变燃烧。点火时，因靶丸已被压缩至高于临界密度几个数量级的高密度态，只能借助强激光在临界密度面附近产生的高能粒子传输能量，并有效沉积在靶丸中实现局部点火燃烧。因此研究超强激光在临界密度靶中的能量沉积和高能粒子的产生对早日实现“快点火”激光核聚变至关重要。本项目拟借助空间一维、速度三维(1D3V)的 Fokker-Planck/Vlasov动力学模拟程序，研究强激光与大尺度临界密度等离子体相互作用，着重考察激光能量的吸收，快电子的产生，快电子传输伴生的回流、直流电场、电荷分离场及对离子的加速，通过激发大振幅朗缪尔波进行能量沉积等问题。研究结果为准确估算点火激光的能量、实现“快点火”激光核聚变有非常重要的指导意义。

激光技术的发展使得强激光与等离子体之间的相互作用，尤其是强激光作用下等离子体的各种非线性现象成为研究的热点。在各种研究方法中，动理学方法因能描述粒子分布偏离热平衡状态的问题而对研究非线性现象具有独特的优势。本项目首先完善了动理学Vlasov-Poisson数值模拟程序，研究了等离子体中的几个非线性问题：1）离子背景周期分布时电子等离子体振荡的演化和波破裂。非均匀分布的离子背景激发一系列的波破裂,且波破裂时间随着离子密度扰动的增加而减小。电子温度较小时，其变化不会改变波破裂时间，但较高的电子温度对应较低的波破裂电子密度峰和电场梯度。电子温度较大时，波破裂现象由于共振电子被俘获而不发生。2）电子密度扰动对非均匀离子背景下的冷等离子体振荡过程的影响。电子密度扰动较小时，波破裂主要取决于离子分布的不均匀性。电子密度扰动中等时，其引起的波破裂发生在早期阶段，但比较弱，离子分布不均匀性导致的波破裂时间随着电子密度扰动的增加而增加。当电子密度扰动很大时，波破裂主要发生在早期、由电子密度扰动引起。3）电子-正电子-离子等离子体中的波破裂及其演化过程。初始正电子密度扰动较小时，波破裂主要由正电子相位空间中的破裂决定。初始正电子密度扰动较大时，正电子和电子演化共同决定了波破裂时间。其次，编写了1D3V Fokker-Planck数值模拟程序，并对程序的可靠性进行了验证，得到了一些与经典理论基本吻合的结果。再则，做了一些激光器和激光方面的研究工作：1）研究了基于LBO晶体的内腔倍频Nd:YVO4红色671nm激光器；2）研究了混合调Q Yb的工作特性，实现了Yb3+掺杂全光纤激光器；3）研究了基于k3b6O10br(KBB)非线性光学晶体的倍频绿色皮秒(ps)激光器；4）对TiAl金属二聚体的基态和若干最低电子激发态的势能曲线进行了计算。与本项目相关的SCI论文已发表7篇，还有1篇在审稿中。