超短超强激光脉冲与等离子体相互作用的解析理论

超短超强激光脉冲的出现使激光等离子体物理面临全新的挑战。传统的理论将激光视为较弱的无限脉宽的平面波。然而在超短超强激光的作用下，相对论效应必须考虑、有质动力效应不再是"微扰"而是主导机制，在原本"准中性"的等离子体中出现了强烈的电荷分离。这些特殊背景与传统理论是完全不相容的。本课题拟从基本方程出发、针对超短超强激光脉冲与低密度、固体密度等离子体相互作用的各主要物理过程逐一进行解析推导，在充分考虑电荷分离、相对论效应、聚焦效应及有限脉宽效应的基础上，建立比较完整的解析理论系统。对激光脉冲峰作用下的等离子体响应、激光打靶前后等离子体的时间发展全过程做出自洽的描述。重点关注与惯性约束聚变快点火、激光带电粒子加速器，等离子体太赫兹辐射源等大科学项目中起关键作用的物理机制，为此类项目提供除计算机模拟以外的理论研究手段。努力探索超短超强激光与等离子体相互作用中具有潜在应用价值的新机制、新现象。

超短超强激光脉冲的出现使激光等离子体物理面临全新的挑战。因为传统的理论将激光视为较弱的无限长脉宽的平面波。然而在超短超强激光的作用下，相对论效必须考虑。有质动力效应不再是“微扰”而是主导机制，在原本“准中性”的等离子体中出现了强烈的电荷分离。这些特殊背景与传统理论是完全不相容的。本课题在四年的研究过程中，我们从基本方程出发，针对超短超强激光脉冲与低密度、近邻界密度、固体密度等离子体相互作用的各主要物理过程逐一进行解析推导，在充分考虑电荷分离、相对论效应、聚焦效应及有限脉宽效应的基础上，建立了比较完整的解析理论系统。对激光脉冲峰作用下的等离子体响应、激光打靶前后等离子体的时间发展全过程做出自洽的描述。重点关注与惯性约束聚变快点火、激光带电粒子加速器、等离子体太赫兹辐射源等大科学项目中起关键作用的物理机制。重点研究了以下内容：.1.超短超强激光与气体密度等离子体相互作用过程中的尾波辐射问题。建立了二维相互作用理论模型，研究了离子移动效应对尾波辐射的影响，同时利用理论模型研究了等离子体尾波场中的离子动力学效应。.2.超短超强激光与近邻界密度等离子体相互作用过程中的后孤子产生问题、粒子加速问题。建立了二维相互作用理论模型，利用模型研究显示激光脉冲在略低于临界密度的等离子体中容易被稳定地自捕获在等离子体空腔以及预设空腔中。而在略高于临界密度的等离子体中可以通过自通道效应穿透等离子体。同时研究了利用激光与近邻界密度等离子体相互作用产生高能电子而得到的增强型靶后加速问题以及利用连续两个激光脉冲在亚临界等离子体中加速电子获得高能量密度电子。.3.超短超强激光与固体密度等离子体相互作用中的高次谐波产生、时间演化问题。建立二维相互作用理论模型，研究了激光脉冲与等离子体电子随时间的演化过程。研究了阿秒脉冲的产生问题。我们还研究了多脉冲超强激光与球壳靶作用加速并聚焦高能量密度的等离子体问题。利用交叉光产生的独特光场加速固体密度靶中电子，激光与三明治靶作用在沿着靶面方向获得准单能碳离子束，激光轰击条纹结构的靶在相对论透明效应下的质子加速问题。