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[资源] High Power Laser–Matter Interaction （springer 2010）

1 Introductory Remarks and Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 The Laser Plasma: Basic Phenomena and Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1 Laser–Particle Interaction and Plasma Formation. . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 High-Power Laser Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 Single Free Electron in the Laser Field (Nonrelativistic) . . 9
2.1.3 Collisional Ionization, Plasma Heating, and Quasineutrality 13
2.2 Fluid Description of a Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.1 Two-Fluid and One-Fluid Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.2.2 Linearized Motions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2.3 Similarity Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.3 Laser Plasma Dynamics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.3.1 Plasma Production with Intense Short Pulses . . . . . . . . . . . 60
2.3.2 Heating with Long Pulses of Constant Intensity . . . . . . . . . 63
2.3.3 Similarity Considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.4 Steady State Ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.4.1 The Critical Mach Number in a Stationary Planar Flow. . . 75
2.4.2 Ablative Laser Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.4.3 Ablation Pressure in the Absence of Profile Steepening . . . 82
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3 Laser Light Propagation and Collisional Absorption . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.1 The Optical Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.1.1 Ray Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.1.2 WKB Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.1.3 Energy Fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.2 Stokes Equation and its Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.1 Homogeneous Stokes Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.2 Reflection-Free Density Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.2.3 Collisional Absorption in Special Density Profiles . . . . . . . 113
3.2.4 Inhomogeneous Stokes Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.3 Collisional Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.3.1 Collision Frequency of Electrons Drifting at Constant
Speed (Oscillator Model) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.3.2 Thermal Electrons in a Strong Laser Field. . . . . . . . . . . . . . 129
3.3.3 The Ballistic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
3.3.4 Equivalence of Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
3.3.5 Complementary Remarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
3.4 Inverse Bremsstrahlung Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3.5 Ion Beam Stopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
4 Resonance Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.1 Linear Resonance Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
4.1.1 The Capacitor Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.1.2 Steep Density Gradients and Fresnel Formula . . . . . . . . . . . 160
4.1.3 Comparison with Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
4.2 Nonlinear Resonance Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.2.1 High Amplitude Electron Plasma Waves at Moderate
Density Gradients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.2.2 Resonance Absorption by Nonlinear Electron Plasma
Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
4.3 Hot Electron Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.3.1 Acceleration of Electrons by an Intense Smooth
Langmuir Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.3.2 Particle Acceleration by a Discontinuous Langmuir Wave . 178
4.3.3 Vlasov Simulations and Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.4 Wavebreaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
4.4.1 Hydrodynamic Wavebreaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
4.4.2 Kinetic Theory of Wavebreaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
5 The Ponderomotive Force and Nonresonant Effects . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.1 Ponderomotive Force on a Single Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
5.1.1 Conservation of the Cycle-Averaged Energy . . . . . . . . . . . . 195
5.1.2 The Standard Perturbative Derivation of the Force . . . . . . . 199
5.1.3 Rigorous Relativistic Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
5.2 Collective Ponderomotive Force Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
5.2.1 Bulk Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
5.2.2 The Force Originating from Induced Fluctuations . . . . . . . 206
5.2.3 Global Momentum Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
5.3 Nonresonant Ponderomotive Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
5.3.1 Ablation Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
5.3.2 Filamentation and Self-Focusing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5.3.3 Modulational Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
6 Resonant Ponderomotive Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.1 Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
6.1.1 Waves, Energy Densities and Wave Pressure . . . . . . . . . . . . 230
6.1.2 Doppler Shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
6.2 Instabilities Driven by Wave Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.2.1 Resonant Ponderomotive Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
6.2.2 Unstable Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
6.2.3 Growth Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
6.3 Parametric Amplification of Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
6.3.1 Slowly Varying Amplitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
6.3.2 Quasi-Particle Conservation and Manley朢owe Relations 258
6.3.3 Light Scattering at Relativistic Intensities . . . . . . . . . . . . . . 259
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
7 Intense Laser朅tom Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.1 Atomic Units. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.2 Atoms in Strong Static Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
7.2.1 Separation of the Schr鰀inger Equation . . . . . . . . . . . . . . . . 272
7.2.2 Tunneling Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
7.3 Atoms in Strong Laser Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
7.3.1 Floquet Theory and Dressed States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
7.3.2 Non-Hermitian Floquet Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
7.3.3 Stabilization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
7.3.4 Strong Field Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
7.3.5 Few-Cycle Above-Threshold Ionization. . . . . . . . . . . . . . . . 301
7.3.6 Simple Man抯 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
7.3.7 Interference Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
7.3.8 High-Order Harmonic Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
7.3.9 Strong Field Approximation for High-Order Harmonic
Generation: the Lewenstein Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
7.3.10 Harmonic Generation Selection Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
7.4 Strong Laser朅tom Interaction Beyond the Single Active Electron . . 319
7.4.1 Nonsequential Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
8 Relativistic Laser朠lasma Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
8.1 Essential Relativity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
8.1.1 Four Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331
8.1.2 Momentum and Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
8.1.3 Scalars, Contravariant and Covariant Quantities . . . . . . . . . 337
8.1.4 Ideal Fluid Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
8.1.5 Kinetic Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
8.1.6 Center of Momentum and Mass Frame of Noninteracting
Particles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343
8.1.7 Moment Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
8.1.8 Covariant Electrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
8.2 Particle Acceleration in an Intense Laser Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
8.2.1 Particle Acceleration in Vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
8.2.2 Wakefield and Bubble Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
8.3 Collisionless Absorption in Overdense Matter and Clusters . . . . . . . . 363
8.3.1 Computer Simulations of Collisionless Laser–Target
Interaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
8.3.2 Search for Collisionless Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
8.3.3 Collisionless Absorption by Anharmonic Resonance . . . . . 378
8.4 Some Relativity of Relevance in Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
8.4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
8.4.2 Critical Density Increase for Fast Ignition . . . . . . . . . . . . . . 393
8.4.3 Relativistic Self-Focusing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

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2012-09-22 23:23:03, 11.02 M