超强激光束在等离子体通道中传输的相对论性自聚焦研究

【作者】 刘明伟； 黄正； 周并举； 唐利强； 刘小娟；

【机构】 湖南科技大学物理学院；

【摘要】 对强激光束在等离子体介质中传输的研究通常是把相对论因子进行级数展开代入传输方程, 并保留最低阶非线性项,即相对论性自聚焦项,从而得到一般形式的三阶非线性Schrodinger方程。这要求归一化后光场矢势的模方远小于1。然而,当激光功率大于相对论性自聚焦临界功率时,将会出现束宽聚焦为零,而光场的振幅为无穷大的奇异性。该奇异性可以被更高阶的相对论性非线性效应消除。但随着激光技术的快速发展,归一化后光场矢势振幅大于2的超强激光已经出现在激光等离子体加速等实际应用当中。同时,我们知道光场振幅越大,激光场中电子的抖动速度就越快,电子质量的相对论性增加也就越大,但反馈到激光场中是否意味着越强的激光束可以带来更大的光束聚焦?本文我们对超强激光束在等离子体通道中传输的相对论性自聚焦进行理论和数值研究。从Maxwell方程组出发,结合相对论冷等离子体模型,导出激光场的传输方程。利用哈密顿-雅可比理论,光束束宽的演化可以用势阱中粒子的运动来描述,并得出非常简洁适用于超强激光束传输的包络方程。在弱相对论近似下,该方程与相对论因子级数展开后得到的包络方程完全一致。结果表明,在激光功率小于电子自陷临界功率的范围内,当等离子体波长与初始光束的比值确定,光束的相对论性自聚焦随初始振幅(光强)的增大而出现极大值;若进一步增大初始振幅,光束的相对论性自聚焦反而减弱,如下图中所示:势阱V随归一化的初始束宽和初始振幅的演化,底部阴影部分为相对论性自聚焦区域。这表明,相对论性自聚焦效应不会使激光束传输时出现束宽为零的奇异性。更多还原