2-35 强激光部分离化等离子体成丝不稳定性

张家泰

　　在强激光重元素靶等离子体中，电子是不能完全剥离的，比如金等离子体中，平均离化度约为37，还剩下约42个束缚电子。实际上带有未离化束缚电子的原子的形状受强激光的相互作用要发生变化，从而产生极化电流，这和全离化等离子体有明显差异，势必影响强激光与它的相互作用。随着激光聚变快点火发展的要求，精密物理的需要，研究束缚电子对成丝不稳定性的影响很有必要。强激光在部分离化等离子体中的折射指数是

　　这里，|Dh£1，h₀»1是与束缚电子相联系的线性折射指数，Dh=-Dh_p=-w_p²=-2w₀²是等离子体中自由电子线性贡献，Dh_pw=Dh_pdn_p/n_p是激发的等离子体波非线性贡献，Dh_r=Dh_pa₀²/4是等离子体电子的相对论贡献，Dh_a=h₂I是束缚态原子的非线性贡献，w₀=2pc/l₀是激光频率，l₀是激光波长，w_p=(4p n_pe²/m)^1/2是等离子体频率，n_e和m_e分别是等离子体的电子密度和电子质量，dn_p是等离子体扰动密度，a₀是激光规格化矢势的峰值振幅，h₂是与束缚电子相联系的非线性折射指数，I是时间平均的激光强度。激光束自聚焦的条件(pr₀/l₀)²D^h_r,a³1，这里r₀是激光的焦斑半径，r₀^2Dh_r,a与激光功率呈比例。这就表明，如果超过某种临界功率，等离子体相对论折射指数Dh_r和束缚态电子折射指数Dh_a可独立地引起激光束的自聚焦。具有高斯剖面图的线极化激光，等离子体相对论聚焦临界功率为

　　气体中非线性聚焦的临界功率是，这两个临界功率的比值远大于1，且以激光频率的4次方定标

[m m⁴]n_p[cm- ³])

　　这里，h₂与原子气体密度n_a成比例。对于STP典型气体，n_p=n_a=2.7´10¹⁹cm^-3, l₀=0.35mm，则R»3011，由此可得P_a=1.95GW,P_P=5.87TW。在的情况下，在部分离化等离子体中，就激光聚焦而言，束缚电子的作用远大于自由电子。部分离化等离子体中，原子成丝不稳定性(AFI)的增长率为

　　AFI的影响是使激光在横向破裂成丝，每个丝的横向大小r^ »2/k^ 对于l ₀=0.35mm，I=10¹⁴W/cm² 和10¹⁵W/cm²，丝的横向大小分别为1.1，0.35mm，并且每个丝的功率粗略等于临界功率，即，其中，k^ =(w _pa₀/2c)(1+3R/2)^1/2

　　对应于极大增长率。图1表示不同R情况（钕玻璃倍频与三倍频光）AFI的增长率随横向波数的变化，由图可见AFI的增长率随横向波数的增加而增加，激光横向尺寸愈短增长率愈大；图2表示AFI的极大增长率随激光强度的变化，在Ll₀²=1.336´10¹⁸mm²W/cm以上时，极大增长率随激光强度的增加变得更快。对钕玻璃倍频与三倍频激光金靶等离子体的原子成丝不稳定性进行计算和分析表明，强激光部分离化等离子体的原子成丝不稳定性显著高于相对论成丝不稳定性。