超强脉冲激光—e+e-等离子体中的参量过程研究

超强脉冲激光与等离子体相互作用的参量过程是"快点火"激光核聚变、激光加速带电粒子等重大前沿基础研究的关键物理过程之一。本申请项目针对超强脉冲激光与e+e-等离子体的相互作用，在考虑量子电动力学效应的情况下，从麦克斯韦方程组和流体方程组出发，推导超强激光脉冲在e+e-等离子体中传播方程，并在此传播方程的基础上，一方面研究电磁孤波的形成和传播特性以及量子电动力学效应对电磁孤波特性的影响，另一方面导出超强激光脉冲在传播过程中的色散关系，进而研究传播过程中的调制不稳定性、受激拉曼散射不稳定性、成丝不稳定性等参量过程，并讨论e+e-等离子体正负电荷质量相等对各种参量过程的影响。本项目的研究，不仅在该前沿领域具有重要的学术意义，对于诸多应用领域同样具有重要的实际价值。

超强激光脉冲的获得，给许多前沿物理学科，如惯性约束聚变、带电粒子加速、天体物理等带来了新的机遇和挑战。此类激光在与物质相互作用过程中会极大地改变介质的性质，从而诱发极端条件下的各种参量调制现象。当激光光强达到相对论强度，即10^18Wcm^-2量级时，有质动力、粒子的相对论运动都会引起等离子体介电常数对激光场的非线性响应，从而产生丰富的非线性光学现象。已有的理论和实验研究显示，超强超短激光脉冲在等离子体中同样能够发生自聚焦成丝、调制不稳定性、受激拉曼散射等参量过程。当光强进一步提高，达到10^23Wcm^-2量级时，量子电动力学理论表明，真空中的电磁场的拉格朗日量将产生相对值为10^-14的非线性扰动，即产生了真空极化和磁化(VPM)非线性。当激光强度达到10^25Wcm^-2量级以后，在超强激光脉冲与等离子体相互作用的理论研究中，应当考虑VPM非线性效应。VPM非线性的出现如何修改相互作用研究的已有结果以及将导致什么新的物理现象，是人们关注的热点问题。本项目正是针对该热点问题开展研究：. 1) 分析了超强激光脉冲在等离子体中传播时的辐射阻尼效应。结果表明，对于圆极化激光，当激光强度达到10^25Wcm^-2时，辐射阻尼能产生重要作用，而对于线极化激光，只有当激光强度远大于极限光强后，辐射阻尼才能起到明显的作用；. 2) 由包含VPM效应的Maxwell方程组，推导了激光脉冲在e-p等离子体中的传播方程，并对比分析了VPM非线性与相对论和有质动力非线性的作用。结果表明，当激光达到一定强度后，VPM非线性将强于相对论有质动力非线性，即在激光脉冲传播过程中，VPM非线性起主要作用；. 3) 采用缓变振幅近似，得到了描述激光脉冲波形变化的修正的薛定谔方程，分析了激光脉冲在传播过程中孤子产生以及激光脉冲波形随时间的演化关系。结果表明，在传播过程中，激光脉冲会经历压缩-分裂-再压缩-再分裂的过程，最后形成类多孤子结构；. 4) 深入探讨了VPM对调制不稳定性的影响。当VPM可忽略时，调制不稳定性增长率主要受相对论有质动力非线性与等离子体密度扰动之间的竞争所决定，而等离子体密度扰动是由有质动力和热压力间的平衡所决定。当VPM不可忽略时，在接近临界密度的等离子体中，VPM将对调制不稳定性起主导作用，从而对激光脉冲的传播特性产生重要影响。