文摘
Laser-driven韦克菲尔德加速度(LWFA)近年来吸引了大量的关注。然而,很少有作家能够使系统研究弓形波生成与后波。研究弓形波将有助于提高理解后波附近的电子的运动。此外,相对论能量电子密度的峰值有很大的潜力在电子加速和反映飞行的镜子。本文首波产生激光等离子体相互作用以及不同的激光和等离子体参数的影响。多维particle-in-cell模拟了存在后波和首波通过展示的电子密度和动量分布以及电场x和y的方向。弓形波结构的演变是通过测量调查开放夹角弓形波和波腔醒来。角度以及电子密度峰值和横向动量是证明对不同激光强度、位置尺寸,等离子体密度,preplasma长度。密度峰值发出高阶谐波150订单,可以一种新的“飞行镜”来产生高次谐波。首波的研究是很重要的对周围的电子运动进一步调查之后,一代的密集的电子束,一代的高阶谐波,和其他基于首波的研究和应用。
1。介绍
冲击波是一种普遍现象,可以观察到液体和气体。当一艘船航行在大海,除了向后开尔文波,一个特定的波也会生成在船头位置,决定了波的外边界是(1),这是冲击波。冲击波不仅船舶能源消耗,而且损害沿海设施和水上建筑物。因此,减少冲击波的影响是造船行业的一个重要目标。在空中,当飞机突破音障时,它将触发特定的冲击波和相关Prandtl-Glauert凝结云(2]。
首波在太空中还发现,如弓激波产生当太阳风与地球的磁场。目前,最大的观察头波是由斯皮策太空望远镜观测到的星系碰撞(3]。从上面的例子可以看出,首波会导致大量的物理过程,如横向转移的动力和物质和粒子加速。
众所周知,超短激光脉冲传播的低密度等离子体可以激发后波(4,5),这非常类似于开尔文波产生的船在海上航行。除了波之后,激光脉冲也可以激发的首波无碰撞的等离子体。像一艘船的冲击波,一束激光脉冲所产生的冲击波也分散了激光脉冲的能量和动量。首波激光等离子体的概念被首次提出Esirkepov et al。62008年)。据透露,横向调制引起的电子密度弓形波可以有效地增加韦克菲尔德的潜力。近年来,大量的研究人员注意到激光韦克菲尔德加速度(LWA) [7- - - - - -11),但他们对首波有详细的分析。弓波的进一步研究将有助于进一步了解韦克菲尔德加速度的关键问题,如电子的运动在韦克菲尔德和冲击波,以及他们所产生的高阶谐波。
研究相关的电子运动韦克菲尔德不仅是重要的LWA也超快的电子束产生的辐射和电子“飞行镜”政权。连贯的超短辐射源是一个重要的工具来探索微观世界和控制(12,13]。韦克菲尔德的电子束加速可以产生超短脉冲和高阶谐波14,15]。此外,高频脉冲(16)和自我产生的磁场可以生成使用超高速电子以反映探测光(17]。
聚焦激光脉冲次稠密等离子体中传播时,如果激光的光斑尺寸小于韦克菲尔德的波长,电子激光不能被驱逐的韦克菲尔德。电子将搬到两侧,形成的冲击波韦克菲尔德。到目前为止,很少有研究弓在激光等离子体波。摘要激光和等离子体参数对冲击波的影响详细属性进行了研究。电子的密度层结的韦克菲尔德和冲击波远远高于底部的韦克菲尔德,和纵向速度接近光速。通过使用超密度高能电子层加入弓形波的一部分和后波作为一个“会飞的镜子”,以反映激光脉冲,我们可以获得高阶谐波的频率加速18]。在本文中,我们研究如何打开角度,横向动量冲击波的峰值密度影响初始等离子体密度,激光强度、焦斑大小和preplasma长度。它有助于进一步了解韦克菲尔德和冲击波的形成,产生高次谐波的机制,连贯的汤姆逊散射。
2。仿真参数
二维和三维数值模拟激光和次稠密等离子体之间的相互作用是由particle-in-cell (PIC)代码时代(19]。在二维模拟:模拟盒子的大小 和网格数 ,在哪里 在真空入射激光的波长。宏观粒子的数目是5120000。完全电离等离子体位于 密度是 。初始强度的激光脉冲 ,无量纲对应振幅 向前传播的x设在线性偏振沿y设在,半宽度的横向焦斑 ,和应用的脉冲宽度 。 激光的频率,e和表示电子的电荷和质量,激光电场的振幅,是光在真空中的传播速度,是激光的时期。离子被认为是静止不动的,也就是说,质量比电子的离子
韦克菲尔德和冲击波可以观察到在一个广泛的参数。参数的三维仿真如下:模拟盒子的大小 和网格数 。宏观粒子的数量 。完全电离的等离子体在整个模拟空间分布的密度 初始强度的激光脉冲 ,无量纲对应振幅 向前传播的x设在线性偏振沿y设在,应用横向焦斑 ,脉冲持续时间和的半最大值宽度 。
3所示。仿真结果和分析
当激光脉冲进入等离子体区域,一个强大的韦克菲尔德将会兴奋。的有质动力和电磁力下激光领域,电子将驱逐所有方向形成一个泡沫结构中没有电子,电子密度分布如图所示1。电场不仅推动了电子在纵向方向上也推动电子在横向方向上,形成弓形波两岸的韦克菲尔德。
韦克菲尔德和弓形波、二维模拟启动进行进一步分析。电子密度分布如图2(一)-2(d)的数据2(b)和2(c)沿虚线显示电子密度的分布 和 在图2分别(a)。在弓形波到达的电子数密度 。冲击波的电子密度增加逐渐沿着+x方向和达到的最大加入冲击波和韦克菲尔德的一部分。在这个时候 峰电子数密度 ,这是远高于韦克菲尔德的底部的密度,达到30多倍初始电子密度。超密度电子层加入弓形波的一部分和后波速度接近光速。它可以用作一个创造性的“飞行镜”,以反映激光脉冲。根据相干多普勒效应,反映了激光脉冲的频率将会加速 ,在哪里 , 是电子的速度层,是光在真空中的传播速度(20.- - - - - -22]。如数据所示2(e)和2(f),纵向电场的分布面积远远大于韦克菲尔德腔。因此,可能并不局限后空腔的大小。
纵向和横向电子动量如图3。由于横波打破,电子横移向外,增加了潜在的韦克菲尔德。因此,后引起的断裂主要是韦克菲尔德的自我产生的静电场引起的紧聚焦激光(23]。冲击波是堆积的电子直接加速了激光有质动力。当激光进入等离子体电子前进,同时不断横向两边,逐渐增加冲击波的面积。与波腔后容易被电子注入,摧毁了冲击波的属性通常是稳定的,随着激光传播。
(一)
(b)
(c)
(d)
随着海浪和首波的结构所产生的不同的激光和等离子体参数如图4。较高的激光强度产生更强的有质动力 。因此,更强烈的激光,更多的电子将被驱逐到横向,下更大的有质动力。因此,角弓形波和后波之间的边界更大。的纵向长度后波腔较大是由于较强的静电场和有质动力,如图4(一)和4 (b)。密度等离子体将抑制有质动力的影响,导致短后波腔和大角 ,如数据所示4 (c)和4 (d)。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
激光焦斑大小和 ,而后者更接近匹配的自我激光光斑大小 。在这里 ,在哪里真空介电常数。激光强度几乎没有衰减在光斑尺寸的模拟(24]。静电场是强大和有质动力小,如图4 (e)和4 (f)。preplasma可以抑制波打破,增加横向有质动力的能量,因此冲击波在横向方向上的分布范围比较大。
激光和等离子体参数中扮演重要的角色的结构和分布随着波和冲击波,以及电子动量。电子的横向动量分布如图5。增加激光强度将直接提高激光有质动力,从而提高电子的横向动量韦克菲尔德和冲击波。电子密度增加将导致未成熟的电子注入。注入电子的纵向动力大幅增加,而横向和纵向弓形波降低电子的动量。激光焦斑大小的增加来 ,接近匹配的激光自聚焦半径。较大的激光光斑大小使归一化电场振幅增加 来 ,提高韦克菲尔德和冲击波,以及电子动量。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
通过改变激光强度、等离子体密度、激光焦斑大小和长度preplasma,激光和等离子体参数对结构的影响,密度,电子动量冲击波的进一步研究。产生的冲击波可以在一个广泛的参数,但有时很难区分,因为它是附近后波。它是发现的角度的弓形波后的边界波腔密切相关激光激光强度和焦斑半径等参数。较高的激光强度,增加明显,弓形波结构更容易观察,如图4(一),4 (b),6(一)。当激光焦斑半径增加来 ,它更接近匹配半径韦克菲尔德的加速度,和韦克菲尔德能量和电子动量增加,但角冲击波和韦克菲尔德墙减少,如图4 (e),4 (f),6 (c)。当激光焦斑减少 ,传播的激光,激光将散焦。与变得更小,大幅减少,弓形波的形状变得不规则。随着等离子体密度 来 ,这个角逐渐减少,如图5 (c),5 (d),6 (b)。preplasma介绍时,角增加,如图5 (g),5 (h),6 (d)。
(一)
(b)
(c)
(d)
激光与等离子体相互作用,电子堆积形成波之后,和电子横向动量增加。整个激光脉冲后进入等离子体和后波腔完全形成,电子的横向动量慢慢减少,如图7。与激光强度和焦斑半径的增加,电子的横向动量增加明显,扩大弓形波区域。当等离子体密度增加 来 ,电子的动量横向和纵向势头相应减少,直到电子注入发生。当激光焦斑的增加,电子的横向动量减小较慢。焦斑大小用的半最大值宽度 ,约等于自聚焦匹配大小,电子横向动量不随时间衰减。preplasma使激光与等离子体相互作用之前,和之后整个激光脉冲进入等离子体,电子横向动量不再是影响。
(一)
(b)
(c)
(d)
冲击波的电子密度增加前面和中心区域附近。生成一个密度峰值在加入弓形波的一部分,后空腔墙。峰值密度随时间波动,但总体趋势与激光强度和等离子体密度呈正相关,如图8(一个)和8 (b)。这种效应时饱和激光强度 当密度超过 。冲击波的峰值密度没有相关激光焦斑的大小和preplasma的长度,但是,当激光焦斑太小的自聚焦效应,激光散焦导致密度峰值降低,如图8 (c)和8 (d)。
(一)
(b)
(c)
(d)
4所示。结论
摘要多维图片代码是用来模拟韦克菲尔德的生成和弓形波激光和等离子体的相互作用。通过分析激光和等离子体参数的影响在弓形波的结构,电子密度峰值,电子动量,冲击波的属性韦克菲尔德的进一步探索。结果表明,增加激光强度和减少等离子体密度有利于观察弓形波的激光韦克菲尔德,并引入preplasma观察弓形波也有帮助。当高斯激光束的焦斑大小小于匹配的自我关注激光在韦克菲尔德,电子的横向动量与焦斑半径呈正相关。在加入弓形波的一部分,随着空心墙,电子密度非常高。峰值密度与激光强度和等离子体密度呈正相关。这个高密度电子峰可以作为一种新型的电子“飞行镜”来产生高频高阶谐波。本文研究的创新性和前瞻性的弓形波韦克菲尔德,这有助于进一步理解电子在激光韦克菲尔德的运动和冲击波,对高频超短脉冲的产生和意义通过一种新型的电子“会飞的镜子。“激光和等离子体也有利于卫星激光通信。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果中包括补充信息文件。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由美国国家科学基金会支持的中国(批准号12205191)和上海科委(批准号21 dz1206500)。时代的代码部分由英国EPSRC(批准号。EP / G054950/1 EP / G056803/1 EP / G055165/1和EP / M022463/1)。
补充材料
补充文件包括2 d密度数据的仿真结果。人们很容易画出二维分布的密度和首波。(补充材料)