强激光等离子体耦合效应的数值模拟

高反射式望远镜光机系统设计班号：0936203 学号：6090120331 姓名：蔡海蛟摘要：反射式望远镜所用物镜为凹面镜，有球面和非球面之分。

比较常见的反射式望远镜的光学系统有牛顿式反射望远镜与卡塞格林式反射望远镜，另外还有里奇-克莱琴式、达尔-奇克汉式望远镜，这些系统都是沿轴的光学系统。

离轴设计有几种通过消除次镜或移动任何的辅助元件避开主镜光轴，以尽量避免阻碍入射光的设计，通常称为离轴光学系统，包括赫歇尔式，Schiefspiegler ，Yolo 望远镜等。

关键词：宽带二倍频； 晶体级联； 时间相位调制； 宽带激光； 光谱窄化1. 绪论激光技术的发展为实现受控热核聚变提拱了条件现代激光技术能产生聚焦良好的能量巨大的脉冲光束。

在惯性约束聚变(ICF)的研究中，为了抑制激光等离子体相互作用时的有害非线性效应，高激光和等离子体的耦合效率，具有一定光谱宽度的短波长激光被认为是一种较理想的光源。

目前，世界上在建和已建的ICF 激光驱动器普遍采用钕玻璃激光三次谐波转换后的紫外光(0．35um)作为打靶激光。

但是，由于紫外光易导致光学元件损伤，严重制约了激光动器的输出能力和运行性能。

而采用高能量宽带二倍频激光打靶则能避免元件的损伤问题。

同时取得与紫外光打靶相当的物理实验效果‘Ⅷ。

最近，国家点火装置(NIF)进行了二倍频激光打靶实验，192束的总能量高达3.4MJ ，并未出现光学元件的损伤问题，并且激光等离子体相互作用效果与三倍频光打靶没有明显差异。

因此，发展大宽带、高效率的二倍频技术具有重要的应用价值和需求牵引。

文中开展了高效宽带二倍频实验，获得了70％的转换效率，并研究了倍频过程中光谱的变化特性，实验结果与理论模拟结果相符。

研究结果为设计ICF 激光驱动器的二倍频器件提供了重要的实验依据。

2.系统结构及工作原理1 宽带激光谐波转换理论模型对1类匹配二倍频过程，忽略横向衍射、空间走离和三阶非线性效应影响，时域上表示宽带二倍频谐波转换的瞬态耦合波方程组可以表示为：211111112112121(,)(,)(,)(,)exp()2effiw d A z t A z t A z t i A z t A A i kz z t tn cββα*-∂∂∂+++=∆∂∂∂(1)222222212222122(,)(,)(,)(,)exp()2effiw d A z t A z t A z t i A z t A i kz z ttn cββα-∂∂∂+++=∆∂∂∂ (2)式中：jA 、1j β、2j β、jα、jn ，分别为频率q 处的复振幅、群速度的倒数、群速色散、吸收系数、折射率(倍频过程中，下标j=1，2分别表示基频光和二倍频光)；effd 为有效非线性系数；k ∆为相位失配量；c 为真空中的光速。

太阳风—磁层—电离层耦合的全球MHD数值模拟研究一、综述随着空间技术的飞速发展，太阳活动对地球空间环境的影响日益显著。

太阳风是太阳外层连续发射出的带有带电粒子的微粒流，其携带的能量巨大，能够深入影响地球空间环境。

太阳活动周期性地改变太阳风的强度和频率，引起地球空间环境的剧烈变化。

在太阳活动的高潮期，太阳风与地球空间的相互作用尤为强烈。

地球空间包括电离层、磁层和太阳风之间复杂的相互作用区域，这些区域之间的耦合对于理解地球的空间天气至关重要。

电离层是大气层中的最内层，高度约85600公里，主要通过吸收太阳辐射而加热并产生电离，对无线电波的传播有着重要影响。

磁层则是地球周围一个巨大的磁力场区域，能够引导太阳风中的带电粒子沿着磁力线运动，同时对地球磁场产生维护作用。

太阳风与电离层、磁层的相互作用是空间环境研究的核心问题之一。

传统的地球空间环境研究多采用动力学模型、统计方法和实验室模拟等方法，但这些方法往往只能描述单一过程或局地现象，难以全面揭示整个地球空间环境的动态变化过程。

随着计算数学和计算机技术的发展，全磁层大气电磁耦合的数值模拟逐渐成为研究热点。

1. 太阳活动对地球空间环境的影响太阳活动是太阳表面各种现象的总称，包括太阳黑子、耀斑、日珥等。

这些活动会产生大量的高能粒子，如电子、质子和离子，它们在太阳风的驱动下流向太阳系各个方向。

当这些高能粒子到达地球附近时，它们与地球的磁场和大气相互作用，从而影响地球的空间环境。

太阳活动产生的高能粒子会对地球的磁场产生影响。

当高能粒子进入地球的磁场时，它们会沿着磁力线运动，形成所谓的范艾伦辐射带。

这些辐射带中的高能粒子对地球的磁场产生了强烈的扰动，使得地球的磁场发生变化。

太阳活动产生的高能粒子还会影响地球的电离层。

电离层是地球大气层中的一个区域，其中空气分子被电离成离子和电子。

太阳活动产生的高能粒子可以穿透电离层的边界层，将其能量传递给电离层中的气体分子，从而改变电离层的密度和温度分布。

激光等离子体相互作用的能量吸收机制
激光等离子体相互作用的能量吸收机制，是一种通过激光与等离子体相互作用来实现能量传递和吸收的过程。

这种机制是基于以下几个原理和过程。

1. 激光与等离子体相互作用的电场耦合效应：激光束的电场能够与等离子体中的自由电子作用，并通过电子的电荷加速和减速来传递能量。

2. 等离子体反射和折射：等离子体具有特定的折射率和反射率，可以通过调节激光束的入射角度和等离子体参数来影响激光能量的吸收。

3. 等离子体吸收激光能量的共振吸收效应：等离子体的特定频率范围内，其自然振荡频率与激光束的频率相匹配，从而实现最大能量吸收效果。

4. 等离子体与激光束的碰撞吸收：激光束与等离子体中的原子或分子发生碰撞，使得它们处于高能级状态，并通过辐射、电离和复合等过程来释放能量。

5. 等离子体的冷却和热化过程：激光束的能量吸收最终导致等离子体的加热。

等离子体通过电子碰撞传递能量，可以通过辐射、热传导和热扩散等过程来冷却或热化。

这些机制和过程的综合作用，可以实现激光与等离子体之间的能量转移和吸收效果。

通过改变激光的参数、等离子体的性质和结构以及相互作用的环境条件，我们可以控制和优化这种能量吸收机制，从而实现对等离子体的精确控制和处理。

VSim专业电磁粒子仿真美国Tech-X公司由John R. Cary博士创立，总部设在美国科罗拉多州博尔德市，是专业的等离子技术软件供应商。

Tech-X公司的产品主要包括电磁粒子仿真软件VSim和电磁流体仿真软件USim。

VSim软件提供的独特物理模型涵盖整个等离子体和射频领域的仿真问题，借助于VSim强大的并行算法，诸多应用领域问题得以求解，例如激光等离子相互作用、高功率微波器件、真空电子器件、脉冲功率、高压放电、加速器等。

VSim软件支持从笔记本、台式机到超级计算机，从单核到数万核并行的多操作系统平台。

USim软件是支持等离子体、高超声速流体、化学反应流体模拟的专业电磁流体仿真软件，是求解高超声速流体力学、高能密度物理、天体物理、电气工程等领域复杂问题的高端工具。

VSim软件发展VSim软件是一款灵活的包含电磁场、粒子和等离子体物理的软件，起源于2001年为美国政府部门应用所做的开发。

VSim早期版本称为VORPAL，主要用于解决联邦政府面临的种种难题，包括等离子体加速、加速器腔建模、磁约束核聚变的研究等。

2004年9月30日，Nature杂志封面展示了VORPAL软件对激光尾场加速的仿真结果，对相关实验的成功有重大的指导意义。

2012年11月，推出VSim 6.0。

VSim6.0全面更新了碰撞和蒙特卡洛模块，另有用于全电磁场模拟的新增功能，其便携性和易用性进一步改进。

VSim6.0软件能在日益增长的商业需求方面做的更好。

VSim软件功能模块VSim 专业电磁粒子仿真软件VSim 是包含全电磁模型的粒子仿真软件，是等离子体、微波与真空电子器件、脉冲功率与高电压、加速器、放电等离子体等领域的尖端仿真工具。

VSim 物理基础VSim 功能特征Particle-In-Cell 模型VSim 使用PIC 算法(Particle-in-Cell)来模拟等离子体的演化。

等离子体粒子之间以及和外界的相互作用通过电磁Maxwell 方程组或者静电Poisson 方程求解，等离子体粒子的运动利用宏粒子的相对论运动方程跟踪。

纳米光子学中的局域场增强和强耦合效应纳米光子学是研究纳米尺度下光与物质相互作用的学科，它涉及到光子的局域场增强和强耦合效应。

本文将探讨纳米光子学中的局域场增强和强耦合效应对材料与光相互作用的影响。

一、纳米光子学的背景和概念纳米光子学是在纳米尺度下研究光与物质相互作用的新兴学科。

在纳米尺度下，电磁波与纳米尺度物体相互作用时，电场强度会在物体表面和附近形成局域场增强现象。

局域场增强指的是在纳米尺度物体表面和附近，电磁波的电场强度显著增强的现象。

二、局域场增强的机制局域场增强的机制可以通过表面等离子体共振来解释。

表面等离子体共振是当金属或半导体纳米结构暴露在光的作用下，电子与光波相互作用产生的电池极化现象，形成局域电磁场增强。

这种局域场增强现象在纳米材料领域具有重要的应用价值。

三、局域场增强的应用局域场增强的现象对纳米材料的光学和电学性质具有重要影响，并且在纳米光子学中具有广泛的应用。

例如，在纳米催化剂领域，利用局域场增强的现象可以提高催化剂的效率和选择性。

此外，在纳米生物传感器领域，利用局域场增强可以增强传感器的灵敏度和特异性，提高检测的准确性。

四、强耦合效应的概念强耦合效应是指在纳米结构与光之间存在强烈相互作用的现象。

当纳米结构的共振频率与光的频率非常接近时，会产生强耦合效应。

强耦合效应是实现单光子调控和量子信息传输的重要基础。

五、强耦合效应的机制和应用强耦合效应的机制可以通过电磁场和物质之间的相互作用来解释。

在纳米器件中，通过调节电磁场和物质之间的耦合强度，可以实现纳米器件的光学性能优化和调控。

强耦合效应在纳米光子学中具有广泛的应用，例如在量子计算、量子信息存储等领域。

六、纳米光子学中的挑战和前景纳米光子学作为一门新兴的学科，面临着许多挑战。

例如，在纳米结构制备和表征方面，需要开发出更加高效和精确的技术。

同时，在纳米材料的性能优化和调控方面，需要深入研究光与物质相互作用的机制和规律。

然而，纳米光子学的发展前景仍然广阔。

第22卷第12期2010年12月强激光与粒子束H I G H PO W E R I。

A SE R A N D P A R T I C I。

E B EA M SV01．22。

N o．12D ec．，2010文章编号：l O O卜4322(2010)12—2853’04真空环境下激光烧蚀铝靶冲量耦合系数的数值模拟+袁红，童慧峰，孙承纬，赵剑衡，李牧(中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621900)摘要：通过分析不同情况下激光与固态靶、气化物质的作用机理。

利用激光体烧蚀模型，采用流体力学理论和1维Lagr an ge有限差分的计算方法，对真空条件下不同激光参数下气化物质对靶产生冲量的过程进行了数值模拟，模拟计算结果与实验测量结果、Phi pps定标关系符合较好。

计算结果表明。

在等离子体的情况下冲量耦合系数随着激光强度增大而减小。

关键词：冲量耦合；等离子体；激光驱动；飞片中图分类号：T N249文献标志码：A doi：10．3788／H P L PB20102212．2853激光辐照固体靶引起靶物质的气化和烧蚀，靶蒸气或等离子体的喷溅膨胀施加给固体靶表面反冲压力及冲量，这种冲量耦合效应成为激光推进、激光清除空间碎片等的研究基础111]。

高功率激光脉冲时间宽度很窄，作用于靶的宏观力学效应用冲量来表示。

单位入射激光能鼍所获得的靶的冲量称为激光与靶的冲量耦合系数，是衡量激光推进效应的重要参数指标。

近年来，国内外学者针对不同条件下激光与物质相互作用的冲量耦合问题开展了相关研究，得到了很多有实际应用价值的成果【5呻]，如Phi pps等¨1结合众多学者的实验数据，采用解析近似方法，得到-r不同条件下激光与靶冲鼍耦合的定标关系。

本文利用激光体烧蚀模型，采用流体力学理论和1维1．a gr a nge有限差分的计算方法，对真空条件下不同波长、不同脉宽、不同功率密度激光辐照时的冲量耦合进行了计算分析，模拟结果与实验结果、Phi pps定标关系较好符合。

激光等离子体流场的数值模拟
激光等离子体流场的数值模拟是一种常见的研究方法，它可以用来研究激光等离子体流场的特性和行为。

该方法使用计算机模拟技术，通过对流场的数值计算，可以得到流场中各种参数的变化规律和分布情况。

在进行激光等离子体流场的数值模拟时，需要考虑多种因素，如激光的功率、频率、聚焦方式等。

还需要考虑等离子体的物理特性，如密度、温度、电离程度等。

通过对这些因素进行综合分析和计算，可以得到较为准确的流场模拟结果。

激光等离子体流场的数值模拟在实际应用中有着广泛的应用，如在激光加工、等离子体喷涂、等离子体医学等领域中都有着重要的作用。

通过对流场的数值模拟，可以有效地指导实际操作，提高工作效率和质量。

激光等离子体流场的数值模拟是一种重要的研究方法，它可以为实际应用提供有力的支持和指导。

表面等离子体表面等离子体表面等离子体（surface plasmons，SPs）是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。

表面等离子体是目前纳米光电子学科的一个重要的研究方向，它受到了包括物理学家，化学家材料学家，生物学家等多个领域人士的极大的关注。

目录编辑本段1902年，R. W. Wood在光学实验中首次发现了表面等离激元共振现象。

1941年，U. J. Fano等人根据金属和空气界面上表面电磁波的激发解释了这一现象。

R. H. Ritchie注意到，当高能电子通过金属薄膜时，不仅在等离激元频率处有能量损失，在更低频率处也有能量损失峰，并认为这与金属薄膜的界面有关。

1959年，C. J. Powell和J. B. Swan通过实验证实了R. H. Ritchie的理论。

1960年，E. A. Stren和R. A. Farrel研究了此种模式产生共振的条件并首次提出了表面等离激元（Surface Plasmon，SP）的概念。

在纳米技术成熟之后，表面等离子体受到了人们极大的关注，成为目前研究的热点。

它已经被应用于包括生物化学传感，光电子集成器件多个领域。

编辑本段基本原理表面等离子体（Surface Plasmons，SPs）是指在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。

其产生的物理原理如下：如作图所示，在两种半无限大、各向同性介质构成的界面，介质的介电常数是正的实数，金属的介电常数是实部为负的复数。

根据maxwell方程，结合边界条件和材料的特性，可以计算得出表面等离子体的场分布和色散特性。

金属膜与电介质表面间的等离子体振荡一般来说，表面等离子体波的场分布具有以下特性：1.其场分布在沿着界面方向是高度局域的，是一个消逝波，且在金属中场分布比在介质中分布更集中，一般分布深度与波长量级相同。

2.在平行于表面的方向，场是可以传播的，但是由于金属的损耗存在，所以在传播的过程中会有衰减存在，传播距离有限。