强激光在非经典等离子体通道中的动力学特性研究

The dynamics and the related instability of intense laser light in a more general plasma channel will be studied theoretically and numerically. The generation of the channel includes two points: (1) the parabolic form in the radial direction is generalized to a multinomial form and (2) the density in the longitudinal direction is generalized to a non-uniform case, such as a more complicated corrugation. In these channels, the dynamics of laser light including focusing behavior, propagation with constant spot size, collapse, solitons, oscillation, resonance, beat wave, instability, localization, etc, will be investigated. The effects of channel and other important factors on the laser behavior will be analyzed. Finally, the ring formation of laser light and the corresponding instability will be addressed in a plasma channel. The investigation will rich our knowledge of the interaction between laser and plasmas, and is also important to laser guiding, laser-driven accelerators, terahertz (THz) generation, fast-ignition thermonuclear fusion, etc.

本项目理论和数值研究等离子体通道中强激光的动力学演化及相关稳定性。对通常的抛物型通道进行两个方面的一般性推广：（1）将通常的二次抛物型通道在横向推广至更一般的多项式形式乃至更一般；（2）将通道在纵向推广至更一般的密度调制和某些实际的非均匀分布。在两种情形下分别研究激光的聚散焦、恒定传播、塌缩、孤立子、振荡、共振、拍、不稳定、局域化等动力学行为，分析等离子体通道背景、激光参数及其它物理效应对激光行为的影响。最后研究等离子体通道中强激光传播的成环动力学及不稳定，分析不稳定发生的临界条件、物理机理、及通道对环形成和发展的影响。该研究将丰富人们对激光与等离子体相互作用的认识，对于激光的有效导引、谐波产生、粒子加速、聚变快点火等应用研究有科学意义。

本项目主要利用理论分析和数值模拟的方法开展了非经典等离子体通道中强激光的传播动力学及相关稳定性研究。具体的研究内容及成果有：.1.开展了非抛物型等离子体通道中强激光的动力学行为研究。首先，得到了横向幂律通道中强激光的传播规律及物理条件，发现有质动力效应使激光的行为变得复杂，通道幂律指数的增加能极大地改变激光行为对应的参数空间，并扩大激光稳定传播的参数范围。其次，探索了包含一局域密度涨落等离子体通道中强激光的传播行为，发现局域密度涨落可扮演激光振荡放大及过滤器的作用。.2.开展了非均匀等离子体通道中激光的动力学研究。首先，得到了锥形等离子体通道中中空高斯激光束的传输特性，结果表明，中空高斯激光束的聚焦能力与锥形等离子体通道的密度成正比，但随着中空高斯激光束阶数的增加而减弱。其次，探讨了交替波纹等离子体通道中激光的传播特征，发现该通道中存在更丰富的共振峰、类拍波等动力学演化行为。.3.开展了等离子体通道中激光传播的成环动力学和不稳定研究。首先，在参数空间得到了横向幂律通道中高斯光束成环不稳定发生的临界曲线，其压缩了光在通道中稳定传播的参数范围，研究表明环的形成及随后的不稳定受通道幂律指数影响较大。其次，探究了角向偏振环型激光束在等离子体通道中的传播动力学，发现并详细研究了激光半径和环厚的恒定传播、激光半径和环厚的同步聚焦周期振荡、激光半径和环厚的同步散焦周期振荡等行为。最后，研究了等离子体中相对论光孤子的传播动力学和稳定性，发现了光传播过程中的调制不稳定性，并指出了激光尾场在其中扮演的重要作用。.这些工作不仅具有其自身的科学意义，而且对光的导引、尾场产生、粒子加速、辐射研究、等离子体波的激发等相关应用研究也有十分重要的实际意义。

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