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《小焦斑納秒激光燒蝕鋁平面靶的數(shù)值研究》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在工程資料-天天文庫。
1、第26卷第10期強(qiáng)激光與粒子束Vol.26,No.102014年10月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct.,2014*小焦斑納秒激光燒蝕鋁平面靶的數(shù)值研究龍城德1,2,趙斌1,2,袁鵬1,2,胡廣月1,2,鄭堅(jiān)1,2(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系,合肥230026;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院近地空間環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥230026)摘要:用二維輻射流體程序Flash模擬了小焦斑納秒激光與鋁平面靶的相互作用過程,其中入射激光的聚焦半徑為25μm,峰值強(qiáng)度約為10132,波長為532nm。模擬發(fā)現(xiàn)激光通道上的等離子體出現(xiàn)了密W/c
2、m度排空的現(xiàn)象,激光焦斑外側(cè)出現(xiàn)環(huán)狀的射流結(jié)構(gòu)。激光通道上密度排空現(xiàn)象對電子熱輸運(yùn)的計(jì)算較為敏感,對比干涉實(shí)驗(yàn)測量的密度分布,確定了模擬中限流因子的取值為0.08。通過考察輻射致冷與電子橫向熱輸運(yùn)對等離子體膨脹運(yùn)動(dòng)的影響,對環(huán)狀射流結(jié)構(gòu)的形成原因給出了物理解釋,并在模擬上驗(yàn)證了輻射冷卻在其形成過程中的主導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞:輻射流體程序Flash;激光燒蝕;輻射冷卻;電子熱輸運(yùn);環(huán)狀射流中圖分類號(hào):O53文獻(xiàn)標(biāo)志碼:Adoi:10.11884/HPLPB201426.102005激光與固體靶的相互作用包含著豐富的物理過程,主要有激光吸收、電子的能量輸運(yùn)、輻射場與等離子體
3、的相互作用、流體力學(xué)演化等。這些物理過程也同樣存在于慣性約束聚變、高能量密度物理以及天體物理中,如:激光間接驅(qū)動(dòng)過程中燒蝕金腔壁產(chǎn)生等離子體的流體力學(xué)演化,黑腔輻射場與腔壁等離子體的相互作用過[1]程;天體物理中新恒星的射流現(xiàn)象與激光燒蝕固體靶產(chǎn)生的等離子體射流具有很多的共性,通過標(biāo)度變換相關(guān)聯(lián),可以類比研究。因此,細(xì)致研究激光燒蝕固體靶中的物理過程,揭示其中的物理規(guī)律,對于認(rèn)識(shí)和理解慣[2-3]性約束聚變、高能量密度物理以及天體物理中的等離子體演化行為具有重要的參考意義。在激光燒蝕固體靶的相互作用過程中,冕區(qū)等離子體的演化行為是大家感興趣的研究對象之一。結(jié)合不[
4、4-10][4]同的激光裝置參數(shù),人們開展了許多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和模擬研究。O.Barthélemy等人用焦斑為600μm的[6]納秒光燒蝕鋁靶,實(shí)驗(yàn)觀測到了等離子體半球形稀疏演化結(jié)構(gòu);M.B?rner等人利用多分幅干涉儀同時(shí)測量了冕區(qū)等離子體的電子密度時(shí)間演化和空間分布,并且觀測到等離子體膨脹過程中產(chǎn)生的環(huán)形射流。在模擬[7]2方面,S.Laville等人通過一維流體程序模擬了輻照通量約10J/cm的情況下,激光燒蝕鋁靶產(chǎn)生等離子體的演化過程,研究了不同脈寬對產(chǎn)生等離子體溫度、密度分布的影響。P.Nicola?等人結(jié)合實(shí)驗(yàn)和二維的輻射流體力學(xué)模擬,研究了單束激光燒蝕過
5、程中等離子體射流的形成條件,考察了等離子體中的輻射冷卻效應(yīng)對冕[11-12]區(qū)流體力學(xué)演化的重要影響,同時(shí)還考察了自生磁場、焦斑半徑、靶材料等因素對等離子體演化的影響。模擬激光燒蝕固體靶的相互作用過程通常需要借助輻射流體模擬程序,本文利用芝加哥大學(xué)開發(fā)的[13]Flash程序作為模擬工具,結(jié)合本小組的相關(guān)實(shí)驗(yàn)觀測對激光燒蝕鋁靶的等離子體演化過程進(jìn)行了模擬分析。Flash是一個(gè)可以考慮激光逆軔致吸收、電離過程、多群輻射輸運(yùn)、狀態(tài)方程等多個(gè)物理過程的歐拉程序。為了對比本小組的實(shí)驗(yàn)參數(shù),本文用Flash程序模擬了聚焦半徑為25μm、峰值強(qiáng)度約10132的二倍頻W/cmN
6、d:YAG激光(波長λ=532nm)燒蝕鋁靶的過程。另外,還模擬了不同焦斑大小的激光燒蝕過程,分析了輻射冷卻和電子橫向熱輸運(yùn)對等離子體膨脹運(yùn)動(dòng)的影響,對模擬和實(shí)驗(yàn)觀測到的環(huán)狀射流結(jié)構(gòu)給出了細(xì)致的物理分析和解釋。通過關(guān)閉這一燒蝕過程計(jì)算中的輻射輸運(yùn)過程,對比驗(yàn)證了輻射冷卻對冕區(qū)等離子體演化的重要影響。1模擬出發(fā)方程[13]Flash是一個(gè)源代碼公開的可以考慮多物理過程、多時(shí)空尺度范圍的輻射流體程序,目前發(fā)展的Flash[14-15]程序已具備模擬激光驅(qū)動(dòng)的高能量密度物理實(shí)驗(yàn)過程的能力?，F(xiàn)對這一模擬程序的物理模型進(jìn)行簡要的*收稿日期:2014-04-21;修訂日期:2
7、014-06-01基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(10625523,11005112,11175179);教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(ITR1190)作者簡介:龍城德(1989—),男,碩士研究生,主要從事激光等離子體相互作用的流體力學(xué)模擬研究;longcd@mail.ustc.edu.cn。通信作者:趙斌(1980—),男,副教授,主要從事激光等離子體物理的數(shù)值模擬研究;zhaobin@mail.ustc.edu.cn。102005-1強(qiáng)激光與粒子束介紹。模擬程序中求解的流體力學(xué)方程組為?ρ+?·(ρv)=0(1)?t?ρv+?·(ρvv)+?Ptot=0(
8、2)?t?
