强激光等离子体耦合效应的数值模拟.doc

　第9卷　第3期强激光与粒子束V o l.9,N o.3　　1997年8月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S A ug.,1997　 强激光等离子体耦合效应的数值模拟 屠琴芬　俞汉清　陈志华Ξ (西北核技术研究所,西安69信箱15分箱,710024 　　摘　要　研究了高强度(1012~1014W c m2,纳秒脉冲(高斯型激光与A l、CH等离子体 的耦合效应。采用一维双温、单流体力学方程组,数值模拟研究激光强度和波长对靶表面能量 沉积和对等离子体特征参数的影响。激光等离子体耦合的主要机制有:轫致辐射、逆轫致辐射 吸收、热扩散和电子、离子之间碰撞能量交换。给出了电子最高温度与光强的近似定量关系。 　　关键词　强激光　等离子体　耦合效应　数值模拟 　　ABSTRACT　T he coup ling effect of h igh2in ten sity nano second laser pu lse w ith A l o r CH p las m as are studied u sing the hydrodynam ical equati on s w h ich are one2di m esi onal,doub le2tem2 peratu re,single2flu id.T he effects of laser in ten sity and w avelength on energy depo siti on in the target su rface and p las m a param etes are num erically investigated.T he m ain m echan is m of laser p las m a coup ling includes the free2free b rem sstrah lung em issi on,inverse b rem sstrob lung ab so rp ti on,the heat diffu ssi on and energy exchange betw een electron s and i on s.T he ap rox i2 m ate scales of m ax i m um electron temperatu re give ou t w ith respect to the laser in ten sity. 　　KEY WOR D S　h igh in ten sity laser,p las m a,coup ling effect,num erical si m u lati on 　　对垂直入射靶表面的高强度激光的能量沉积过程,以及激光与等离子体的耦合效应进行了数值模拟。激光波长为0.25~1.06Λm,强度为1012~1014W c m2。脉冲形状为高斯型,半高宽为1n s。靶表面激光能量沉积率、质量烧蚀率和等离子体的特征参数均与入射激光强度、波长和靶材的性质有关。 　　考虑等离子体是由离子、电子组成,并假设等离子体是电中性的。对电子和离子的压力、温度和热传导系数分别给予考虑。并利用近似的“co ronal”态方程求解电离度[2]。激光等离子体相互作用的主要机制包括:自由2自由轫致辐射,逆轫致吸收、电子2离子碰撞能量交换、热传导和激光能量沉积等。 　　对上述物理模型过程,采用一维双温、单流体力学方程组,由显、隐式耦合的差分方程进行数值模拟。计算给出电子最高温度与激光强度的近似定量关系;等离子体特征参数的时空变化;等离子体特征参数与入射光强、波长、靶材性质的关系。同时,还给出靶表面能量沉积随时间的变化关系。整个模拟清晰地展现了激光等离子体耦合效应的物理过程。我们的计算结果与国内外理论和实验结果吻合[1,2,4]。 1　模型 　　一束高斯型激光(半高宽为1n s,波长分别为Κ=1.06Λm,Κ 2,Κ 3,Κ 4,光强为1012、1013、1014W c m2入射到A l和CH靶上,将靶置于真空环境中。 Ξ国家863惯性约束聚变领域资助项目。 1997年3月4日收到原稿,1997年7月3日收到修改稿。 屠琴芬,女,1941年5月出生,副研究员。 　　由于入射激光强度很高,脉宽很窄,忽略靶的加热、熔化过程,认为激光辐照靶的瞬间,靶即开始喷射。喷射率由文献[1]给出。 2　双温单流体力学方程 　　一维平面守恒方程 5R 5t=u(1 5R 5x=Θ0 Θ(2 5u 5t=-c V 5p 5R(3 p=p i+p e+q a(4 q a=l2 2 Θ 5u 5x- 5u 5x [2] (5 Θ=A N A n i(6 式中R为欧拉坐标,x为拉