用雷射-等離子體放大器觀察熱稠密等離子體中的非線性電離動力學

2020-12-04 江蘇雷射產業創新聯盟

江蘇雷射聯盟導讀：一個來自德國耶拿大學的研究團隊使用飛秒相干紫外光和一個新穎的四維模型，觀察到高電離氪等離子體成功的形成和相互作用。這一研究將最終會將光輸送到宇宙中的物理形態。這一成果發表在期刊《Light: Science & Applications》上。

儘管研究等離子體是一件幾乎不可能的事情，等離子體在實驗室中是一個非常容易獲得的事情，捕獲電離態和緻密的等離子體的方法也是極端有限制的。研究電離態的物質對於理解宇宙的物質的形成的相互關係是非常關鍵的，因為觀察到的黑物質的85%都是由等離子體所組成的。

耶拿大學的 Frederik Tuitje （右）和Tobias Helk在為研究雷射-等離子源的實驗裝置作準備

使用雷射-等離子體放大八倍的電離氪離子作為雷射介質，研究人員發布了一個相干的極端紫外探針脈衝進入等離子體。脈衝識別等離子體狀態的特徵根，當它擴展雷射生成的等離子柱。脈衝通過分析衍射表徵良好的納米靶標。這一辦法，稱之為相干衍射圖像，使得測量脈衝探針攜帶高解析度的等離子體的信息的性能得以實現。這一工作比較重要的一點就是EU v的脈衝和，尤其特別的是，它可以比較短，短到等離子體變得透明進入插入裝置中形成的等離子體。

帶診斷的雷射-等離子體放大 操作示意圖和實驗裝置

令人驚奇的是，Michael Zuerch說到，他是 (美國)加利福尼亞大學伯克利的教授，研究發現了一個非平凡空間調製模式，在波導的形狀中處於一個不被預期的狀態。通過多尺度的四維適應的理論模擬等離子-光相互作用，他們發現了模擬結果同實驗數據高度吻合。

雷射-等離子放大的 外場的重構

這使得我們可以將觀察到的信號歸因於強烈的非線性行為，在雷射-等離子作用中生成高度電離氪等離子體，Zuerch說到。

這一辦法可以非常容易的適用於其他相關的場景和驗證，輸入到模型中來模擬雷射-等離子的相互作用和更加通常的高度電離等離子體。研究結果表明任意的電離等離子體是不能通過光學技術來創造的。

在NIR泵浦脈衝之後放大的 電子和雷射離子的空間分布

發展的模型將使得我們可以精確的預測可以獲得的狀態。並且給予我們希望，定義的等離子狀態可以被適合的雷射光束形狀來創造。

在一個更加深刻的理解雷射-等離子體的相互作用，我們的發現比較有影響力，例如，在等離子體為基礎的Ｘ射線光源的擴大規模或等離子為基礎的熔化的實驗方面， Zuerch說到。

放大的ＨＨＧ脈衝和實驗結果的空間－時間強度的曲線分布 的比較結果

a 光束表明了一個在瞬態(Rabi)振幅的富裕結構，等強度曲線揭示了兩個強度最大值，並不位於放大器的中心。所有這些結構被等離子波導的不均勻的曲線所誘導，雷射離子豐度通過它的輻射曲線，，並且其雷射離子的貧乏在放大器的中心，　b 數值累積強度和相表明了優異的模擬結果同實驗結果是高度吻合的，實驗數據的誤差用蒼白的顏色表示，黑色的條顯示的是直徑　

這一研究成果發表在近日出版的期刊《 Light: Science & Applications》上。

文章來源：Tuitje, F., Martínez Gil, P., Helk, T. et al. Nonlinear ionization dynamics of hot dense plasma observed in a laser-plasma amplifier. Light Sci Appl 9, 187 (2020). https://doi.org/10.1038/s41377-020-00424-2

相關焦點

  • 等離子體作用原理及在羊毛染整加工應用
    傳統方法處理羊毛鱗片層往往需要用含氯氧化劑,處理過程會產生AOX(可吸的有機滷素),對環境造成的汙染比較嚴重。等離子體技術是乾式反應體系,節水節能、環境汙染少,處理僅涉及纖維的表面[1,2],不破壞纖維自身的性質,理論上可應用於各種紡織品基質物。本文重點討論了等離子體技術在羊毛織物染整加工中的應用。
  • 科學家利用雷射冷卻造出零下273℃中性等離子體
    據美國《新聞周刊》網站近日報導，科學家利用雷射冷卻，創造出溫度達到零下273℃的中性等離子體，其比太空深處溫度還要低。這一成果發表於《科學》雜誌，顯示了極端環境下（比如白矮星和木星中央）等離子體的新的可能性。　　一般認為，雷射可用於加熱，但其實也可用於冷卻物理系統。
  • 神奇的雷射與等離子體
    雷射與等離子體技術越來越多地應用在我們的生活中。本期《大咖面對面》我們邀請了北京科技大學數理學院教授王雲良老師，為大家介紹神奇的雷射與等離子體。問題一：雷射是什麼，與普通的光有什麼區別？雷射這個概念最早是愛因斯坦提出的。1960年，人們制出了第一臺雷射器。雷射的特點是具有方向性、單色性，並且頻率相對單一。
  • 等離子體的隱形原理是什麼
    問：有一次，我從電視中了解到Ｂ－2隱形轟炸機可以在機頭和機尾之間產生高達幾十千伏至幾千千伏的電勢差，使機身表面氣體等離子化，從而達到隱形目的。我想問，等離子體的隱形原理是什麼，又是怎麼樣發展起來的呢？
  • 美國物理研究所:下一代雷射設備有望迎來相對論等離子體研究的新時代
    啁啾脈衝放大是2018年諾貝爾物理學獎的主題，這項技術可以提高當今許多功率最高的研究雷射器中雷射脈衝的強度。隨著下一代雷射設備希望將光束功率推高至10皮瓦，物理學家們期望研究等離子體的新時代，等離子體的行為受到黑洞中典型特徵和脈衝星風的影響。當前的高功率雷射器將光聚焦的強度比地球表面的日光強度高1023倍。
  • 什麼是等離子體?火焰是等離子體嗎?
    等離子體又叫做電漿，被視為物質的第4種形態，或者稱為「超氣態」。簡單來說就是電離了的「氣體」，由離子、電子以及未電離的中性粒子組成，整體呈電中性。等離子體並不需要完全由離子構成。等離子體屬於非凝聚態，構成等離子體的粒子之間游離程度較高，粒子間的相互作用不強。
  • 「雷射誘導等離子體光譜分析成分在線檢測設備」通過初步驗收
    等離子體，又稱為電漿。是由部分電子被剝奪後的原子及原子團被電離後產生的正負離子組成的離子化氣體狀物質，等離子體是不同於固體、液體和氣體的物質第四態。電子離開原子核，這個過程就叫做「電離」。它是近似電中性的，所以就叫等離子體。
  • 雷射、啁啾脈衝放大、超快光學和諾貝爾獎
    早在1969年美國加州大學勞倫斯輻射實驗室(勞倫斯˙利弗莫爾國家實驗室的前身)的Swain和Rainer就用釹玻璃搭建了第一個再生放大器，那時被稱為「多通共振雷射放大器(many pass resonant laser amplifier)」。1970年聯合飛行器實驗室的Buczek等人搭建了一臺環形再生放大器。
  • 等離子體壓縮聚變
    在這些極高的溫度和壓力下，氣體將電離並形成等離子體（物質的第四狀態），即大量電子和正離子（≥1020/ m3）的集合，它們不斷相互作用 ，交換能量。 [0003] 為了使離子融合而限制等離子體的三種主要方法是重力限制，慣性限制和磁限制。 為了從重力限制中獲得融合，您需要恆星大小的質量，因此慣性和磁性限制是唯一可行的方法，並且可能是兩者的混合。
  • 雷射等離子體微推進技術研究進展
    為了構建微衛星星座， 需要對微小衛星進行精確的變軌和調姿控制， 這就對推進器提出了比較高的要求。　　1) 推進器本身重量要比較小。對於一個重10 kg，高10～20 cm 的微衛星， 要求其推力系統只能有0.5～1kg 重， 大小為5～10 cm， 只有這樣， 推進器在衛星上才不會佔太大的比重。
  • 科學家發現太陽磁場「放大器」
    本報訊（記者沈春蕾）近日，中國科學院紫金山天文臺太陽活動多波段觀測與研究團組博士徐喆和研究員季海生等人，對一例運動黑子的磁流體動力學過程進行了觀測與分析。研究人員認為，這是一例由運動等離子體所造成的局地磁場放大的現象。正如無線網絡信號可以被放大器放大、增強，這一效應堪稱太陽表面的天然磁場「放大器」。它對人類認識黑子、耀斑、日珥等一系列太陽活動，具有重要意義。
  • 氧化石墨烯膜的高速飛秒雷射等離子體刻蝕
    飛秒雷射等離子體光刻(FPL)技術以其高效、高質量、柔韌性和可控性成為製造所需結構的理想技術。然而，由於該方法的理論和實驗探索仍處於起步階段，尚未實現FPL對石墨烯材料的微/納米加工。在實際應用中實施這項技術的可行性仍然值得懷疑，因為大多數相關研究只強調了從加工中獲得的結構特徵，而往往忽略了材料本身性質的互補變化。
  • 等離子體的特性有哪些?
    等離子體是由大量帶電粒子組成的非束縛態宏觀體系，它包含自由電子、自由離子，也可能存在中性粒子。等離子態是除物質三種基本形態固態、液態、氣態之後的第四種物質形態，廣泛存在於自然界中。諸多不帶電的普通氣體在受到外界高能作用後，其部分原子中電子吸收的能量超過原子電離能後脫離原子核的束縛而成為自由電子，同時原子因失去電子而成為帶正電的離子。這樣一來中性氣體因電離將轉化成有大量自由電子、正電離子和部分中性原子組成與原氣體具有不同性質的物質，這種物質就稱為等離子體。
  • 宇宙物質的主角——等離子體
    這時，物質就變成了由帶正電的原子核、帶負電的電子以及未電離的中性粒子組成的一團均勻的「漿糊」，人們戲稱它為「離子漿」。這些離子漿中正負電荷總量相等，因此，它是近似電中性的，所以就叫等離子體。除了加熱氣體能產生等離子體外，外加電流也可以激發電子擺脫原子核的束縛，產生等離子體。雖然等離子體來源於氣體的電離，但它的性質與氣體的性質完全不同，因此，等離子體被認為是一種新的物質狀態。
  • 利用雷射產生的鈾等離子體，會反應成更複雜的鈾化學反應！
    當能量在壓力下被添加到鈾中時，會產生衝擊波，即使是很小的樣本也會像小爆炸一樣蒸發。通過使用更小、可控的爆炸，物理學家可以在安全的實驗室環境中進行小規模測試，而以前只能在更大、更危險的爆炸實驗中進行測試。在本研究中，是雷射將能量沉積到目標上，但也會得到同樣鈾等離子體的形成和隨時間變化的演化，通過實驗室裡的這些小規模爆炸，可以理解類似的物理現象。
  • 聽說等離子體是導體？能當電纜用嗎？
    宇宙中99.99％的空間充滿等離子體，所以，認識等離子體，就認識我們所在宇宙的99.99%。由地球表面向外，等離子體是幾乎所有可見物質的存在形式，大氣外側的電離層、日地空間的太陽風、太陽日冕、太陽內部、星際空間、星雲及星團，毫無例外的都是等離子體。
  • 雷射脈衝在非晶態介電材料中製造出非線性效應
    一個全新的，全光學技術，用來在材料中製造二階非線性 效應，這一效應在通常的情況下並不會支持新的選擇來製造光學計算機、高速數據處理器、生物影像中的這一效應（非線性效應）。來自喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology），簡稱Georgia Tech的研究人員發展了這一技術，採用紅色雷射來製造出非線性效應。
  • 新型等離子體推進器只靠空氣與電力,效率媲美噴射發動機
    最近，中國武漢大學團隊設計出可在大氣環境下運作的等離子噴射推進裝置原型，於實驗室中測試可產生和商用噴射發動機差不多的推力效率。科學家已開發各種形態的離子發動機（Ion thruster，即離子推進器）或電漿推進發動機（Plasma propulsion engine）多年，希望減少燃燒化石燃料引起的溫室效應和全球暖化問題。
  • GRL：白天低緯電離層等離子體羽狀結構特徵與起源
    電離層等離子體羽狀結構是指赤道電離層F區底部低密度等離子體在瑞利-泰勒不穩定性作用下，快速上升到F區頂部，並擴展到低緯甚至中緯度地區而形成的大尺度等離子體密度耗空。它能夠對穿越電離層的無線電信號造成閃爍現象，嚴重影響衛星通訊質量和導航定位精度。電離層等離子體羽狀結構自1976年首次被位於秘魯Jicamarca的雷達探測到以來，其特徵和機理已被廣泛研究，如羽狀結構內富含各種尺度的等離子體密度不均勻體（釐米到上百公裡尺度），其通常在日落後產生，日出前消失。近年來，基於衛星原位觀測發現在白天，電離層F區頂部等離子體密度不均勻體發生較為頻繁。
  • GRL:白天低緯電離層等離子體羽狀結構特徵與起源
    解海永等-GRL：白天低緯電離層等離子體羽狀結構特徵與起源電離層等離子體羽狀結構是指赤道電離層F區底部低密度等離子體在瑞利-泰勒不穩定性作用下，快速上升到F區頂部，並擴展到低緯甚至中緯度地區而形成的大尺度等離子體密度耗空