3.电子加热机制:
3.1碰撞吸收:
现有的激光强度$I\le 10^{22}W/cm^2$下,我们无法直接加速离子,而是先将能量传递给电子,利用电子的热压或者激光作用时产生的光压维持电子与离子的分离,离子从静电分离场中获得能量。已知的电子能量的主要吸收方式主要分为两种,直接通过碰撞过程交换能量的称为正常吸收,通过等离子体波等形式间接吸收能量的方式称为反常吸收。
对于光强在13到15次方的低强度激光,存在碰撞吸收,也叫逆轫致吸收。等离子体中的电子在激光电场的作用下高速振动,在离子的库仑场中会发生碰撞散射,将动能传递给离子,从而使得激光的能量被等离子体吸收,是短波长激光的主要吸收机制。我们暂时不考虑集体效应与量子效应,在近似$\hbar \omega \ll k_BT_e $下,可以得到碰撞效应对激光的线性吸收系数:
其中$n_e,\ n_c,\ \gamma _{i-e},\ Z,\ T_e$分别为电子密度,等离子体临界密度,电子与离子的碰撞频率,电离度,电子温度。$\Lambda =4\pi n_e\lambda _D^3$,$\ln{\Lambda } $为库仑对数,此处取值在8到10之间。可以看到,在激光可以入射等离子体的前提下,电子与等离子体的碰撞频率以及线性吸收系数均随着等离子体密度的增大而增大,故而碰撞吸收主要发生在临界密度区域的附近,碰撞产生的热电子的能量一般在千电子伏特的级别以下。
当激光的强度增大时,电子的速度分布与电场的关联加强,且当电场强度和原子核电场可以相比时,还会发生多光子过程,逆轫致吸收过程逐渐由线性过程转变为非线性的过程,吸收系数和$\omega ^5/E^3$相关;同时,注意到温度的上升将导致碰撞频率的快速下降,逆韧致吸收的效应减弱,其他吸收过程开始占据主导。