Processes in current sheets responsible for fast energy conversion in the magnetospheric collisionless plasma
磁层等离子体结构的动力学本质上具有间歇性的慢相和快相。快速转变是一个非线性过程，失去平衡，最终缓慢的准静态演变。这个过程被分析为一个动态分岔。无论是撕裂模扰动还是气球模扰动，在演化过程中达到边缘稳定状态时，都会出现这种现象。由此产生的力的不平衡导致自发形成的非线性动力学薄电流结构。它们要么是一对缓慢的无碰撞激波，要么是嵌入较厚等离子体片结构中的特定各向异性薄电流片。两者都是强烈能量转换的场所，它们在磁层无碰撞等离子体中实现快速磁重联。
2013-01-29 physics.plasm-ph
Exploring the nature of collisionless shocks under laboratory conditions
无碰撞冲击在天体物理学中是普遍存在的，它们对于理解宇宙射线加速至关重要。强激光的实验室实验正在为探索和验证决定无碰撞冲击加速过程的微观物理开辟道路。我们确定的冲击字符-静电或电磁-静电冲击的横向电磁波动的稳定性的基础上，作为一个函数的电子温度和流速的等离子体成分，我们比较的分析模型与粒子在细胞模拟。通过与驱动等离子体流的激光参数的连接，我们证明了具有不同和独特的底层微观物理的冲击可以在实验室中用最先进的激光系统进行探索。
2014-01-13 physics.plasm-ph
Anharmonic resonance absorption of short laser pulses in clusters: A molecular dynamics simulation study
当膨胀团簇中电子的Mie等离子体频率（$\omegaMie$）与激光频率（$ω$）相匹配时，纳米团簇对800 nm强激光的线性共振吸收需要大于100 fs的长激光脉冲。对于脉冲的短持续时间，LR的条件不满足。在这种情况下，它是由模型和粒子在细胞（PIC）模拟[物理评论快报。96，123401（2006）]，当团簇的自洽非谐势中的电子的位置相关频率$Ω[r(t)]$满足$Ω[r(t)]=ω$时，电子通过非谐共振（AHR）吸收激光能量。然而，AHR在多粒子等离子体模拟中仍然是一个有争议的问题。在这里，我们确定AHR机制在激光驱动的集群使用分子动力学（MD）模拟。通过分析MD电子的运动轨迹并提取其在自生非谐等离子体势中的$Ω[r(t)]$，发现当满足AHR时，电子只被外电离{ \em}。本文介绍的非谐振子模型，显示了MD电子通过AHR时的大部分特征。因此，我们不仅第一次弥合了PIC模拟，分析模型和MD计算之间的差距，而且明确地证明了AHR过程是一个普遍的占主导地位的无碰撞吸收机制，在短脉冲制度或在较长的脉冲在集群的早期时间。
2016-12-07 physics.plasm-ph
Nonlinear Dynamics of Relativistically Intense Cylindrical and Spherical Plasma Waves
利用Dawson片模型[J. M. Dawson，Phys.Rev.113，383（1959）]。研究发现，圆柱形和球形空间电荷振荡打破通过相位混合的过程中，在一个任意小的振幅，由于几何和相对论质量变化效应引入的非谐性。相位混合时间（波破碎时间）的一般表达式已被推导出来，它示出，对于这两种情况下，它的规模与初始波振幅的立方成反比。最后用一个基于Dawson薄板模型的数值程序验证了这种解析解的正确性。
2018-04-11 physics.plasm-ph
Optical probing of shocks driven into overdense plasmas by laser hole-boring
本文报道了λ0 \approx 10 μm强激光脉冲与近临界过密等离子体（ne = 1.8 - 3 nc）相互作用的观测结果。首次采用横向光学探测方法，显示了由初始速度> 10^6 ms-1的激光脉冲驱动的辐射压力钻孔所引起的前表面凹陷，以及由此产生的无碰撞冲击。无碰撞冲击波通过等离子体传播，消散成离子声孤立波，并最终成为碰撞，因为它进一步减慢。这些结论得到了PIC模拟的支持，表明初始演化是由无碰撞机制主导的。
2012-05-22 physics.plasm-ph
Short Intense Laser Pulse Collapse in Near-Critical Plasma
据观察，一个强烈的超短激光脉冲与过密的气体射流的相互作用的结果在脉冲崩溃和沉积的显着部分的能量在一个小的和良好的本地化的体积中的气体射流的上升部分，在那里的电子被有效地加速和加热。在时间和空间上光学监测了以亚相对论速度（~c/3）膨胀超过150微米的无碰撞等离子体，并将其归因于与热电子流相关的气体的准静态场电离。与观测结果吻合良好的数值模拟表明，相对论电子的坍缩区域加速，以及一个相当大的磁偶极子的激发，维持电子电流超过几皮秒。讨论了直接从气体射流中产生高重复频率离子束的前景。
2012-09-12 physics.plasm-ph
Acceleration of collimated 45 MeV protons by collisionless shocks driven in low-density, large-scale gradient plasmas by a 10^20 W/cm^2, 1 micron wavelength laser
本文观察到一种新的质子加速现象，这种加速现象是由强近红外激光辐照大梯度低密度靶引起的。所产生的质子的特征在于高能量（具有宽光谱），以非常定向的方式发射，并且该过程与放松的激光（不需要高对比度）和靶（不需要超薄或昂贵的靶）约束相关联。因此，与标准和常用的目标正常鞘管加速技术（TNSA）或更多探索性机制（如辐射压力加速（RPA））相比，该过程似乎非常有效。这些数据是由3D数值模拟，这表明，在这些条件下，低密度无碰撞冲击加速（LDCSA）是在发挥作用，它结合了初始的无碰撞冲击加速（CSA），以促进采购的TNSA样鞘场在向下的密度斜坡的目标，这导致了一个整体的广谱。在10^20 W/cm^2激光强度下进行的实验表明，LDCSA可以以准直（约6 $^\circ$半角）方式将约1%临界密度的毫米级靶加速到5x10^9质子/MeV/sr/J，能量高达45（+/- 5）MeV。
2017-08-08 physics.plasm-ph
Ion acceleration at two collisionless shocks in a multicomponent plasma
强激光与等离子体相互作用是实验室研究无碰撞冲击离子加速的重要手段。用二维粒子单元法计算了多组分等离子体，在归一化激光矢势a0超过10时，用线偏振激光驱动时，在两个不同的纵向位置观察到两个静电无碰撞激波。此外，这些冲击，与质子和碳离子，显示幂律依赖于a0和加速离子不同的速度在一个扩大的上游具有更高的通量比在单组分氢或碳等离子体。这是由不同离子的荷质比差异引起的静电离子双流不稳定性造成的。在空间和天体物理学中，多组分等离子体中的无碰撞冲击中的粒子加速是普遍存在的，这些计算确定了在实验室中研究这些复杂过程的可能性。
2021-04-02 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Collisionless absorption of short laser pulses in a deuterium cluster: dependence of redshift of resonance absorption peak on laser polarization, intensity and wavelength
利用分子动力学模拟研究了不同强度、波长和偏振态的短脉冲激光在氘团簇中的无碰撞吸收。对于给定的激光能量和脉冲宽度$\approx$ 5-fs（fwhm），发现无论激光的线偏振（LP）和圆偏振（CP）状态如何，在已知的静态Mie共振或线性共振（LR）波长$\lambdaM\approx 263$ ~nm（对于氘团簇）处都不会发生最大激光吸收。随着激光强度的增加，由于逐渐的外部电离和团簇膨胀，吸收峰从预期的静态~ $\lambdaM$逐渐红移到$λ\!\! \approx \!\!(1\!\!-\!\!1.5)\lambdaM$的边缘过密区域中的更高的$λ$;当LP和CP的外部电离在100\%饱和时，高于强度的共振吸收峰消失（有时伴随着{ \em甚至}吸收的增长）。共振吸收峰的消失不应被误解为米氏共振的作用可以忽略（或没有）。事实上，在$λ\!\! \approx \!\!(1\!\!-\!\!1.5)\lambdaM$的这个边缘过密带中，一些电子在自由时经历动态米氏共振（动态LR），而另一些电子经历非谐共振。还发现，在吸收峰之前，对于所有强度和$λ$，由于LP和CP激光器的激光吸收几乎同样有效（CP情况比LP高得多）。然而，在吸收峰之后，在较低的强度下，由于LP的吸收不明显地主导由于CP的吸收，随着~ $λ$的增加，其在较高的强度下逐渐逆转。分子动力学的结果也得到了团簇刚性球模型的支持…
2018-12-25 physics.plasm-ph
Magnetic stagnation of two counterstreaming plasma jets induced by intense laser
本工作首次实验观测到超强激光诱导的对向等离子体射流因自生环形磁场压缩而停滞偏转，混合模拟揭示了其机制。
2025-06-19 physics.plasm-ph
Hollow screw like drill in plasma using an intense Laguerre Gaussian laser
随着超强激光技术的发展，MeV量级的离子可以通过不同的机制从激光箔相互作用中获得，如靶法向鞘层加速、辐射压加速、无碰撞冲击加速、爆发加力以及不同机制的组合。这些高能离子束可应用于惯性约束聚变的快速点火、医学治疗和质子成像。然而，这些离子主要在激光传播方向上加速，而在方位角取向上的离子加速很少被提及。本文首次采用环形拉盖尔-高斯LG激光器在相对论强度范围内研究了激光等离子体相互作用的三维粒子模拟。研究表明，在LG模激光器的空心螺旋状钻头中产生了一种新的等离子体旋转。与通常的激光脉冲（如线偏振和圆偏振高斯脉冲）相比，LG激光产生的质子纵向角动量显著增强。此外，粒子，包括电子和离子，可以被捕获和均匀压缩在黑暗的中心最小的甜甜圈LG脉冲。这种中空结构的LG激光器可用于研究一些难题，如惯性约束聚变中的螺旋钻孔、激光驱动粒子加速和天体物理环境中的激光等。
2015-01-12 physics.plasm-ph
Kinetic equilibria of relativistic collisionless plasmas in the presence of non-stationary electromagnetic fields
本文在协变回旋动力学框架下研究相对论无碰撞等离子体在非平稳电磁场中的动力学平衡，发现空间对称系统中存在新平衡态，并建立了绝对稳定性判据。
2023-06-17 astro-ph.HE cond-mat.stat-mech physics.plasm-ph
Nonlinear Plasma Wave in Magnetized Plasmas
磁化无碰撞等离子体中的非线性轴对称圆柱形等离子体振荡是一种用于描述超短相对论强激光脉冲激发等离子体尾波后电子流体在轴上坍缩的模型。我们提出了一个强非线性振荡的分析描述表明，磁场阻止关闭的激光脉冲后面形成的腔。这种效应与激光等离子体相互作用的3D PIC模拟证明。对快电子在磁场作用下的电子感应加速器振荡进行了分析，揭示了在实验中观察到的电子束团象的特征性"四射线星"图样[T. Hosokai等人，物理修订信函97，075004（2006）]。
2013-04-25 physics.plasm-ph
Interplay between the Weibel instability and the Biermann battery in realistic laser-solid interactions
一种新的设置允许的韦伯不稳定性和它的相互作用与比尔曼电池探测激光驱动的无碰撞等离子体。用从头算粒子模拟方法研究了短脉冲（$ \le ps$）强$(a_0 \ge 1)$激光脉冲与过密等离子体靶的相互作用，结果表明，在脉冲激光作用下，可观察到韦伯产生的磁场。只要梯度尺度长度比局部电子惯性长度大得多，这种场强就超过了通常在实验中占主导地位的比尔曼电池的场强;这可以通过在靶的前面仔细设置适当的梯度来实现，例如通过调谐主激光脉冲和预脉冲之间的延迟。
2019-07-24 physics.plasm-ph
Disruption of Alfvénic turbulence by magnetic reconnection in a collisionless plasma
我们计算的破坏尺度$λ_{\rm D}$在动态对齐Alfvénic湍流的片状结构被破坏的磁重联在低$β$碰撞等离子体的发病。$λ_{\rm D}$的缩放取决于所考虑的统计的顺序，在更大的尺度上更密集的结构被破坏。主导能谱的结构的破坏尺度是$λ_{\rm D}\sim L_\perp^{1/9}(d_eρ_s)^{4/9}$，其中$d_e$是电子惯性尺度，$ρ_s$是离子声音尺度，而$L_\perp$是湍流的外部尺度。当$β_e$和$ρ_s/L_\perp$足够小时，尺度$λ_{\rm D}$大于$ρ_s$，并且在$λ_{\rm D}$而不是在$ρ_s$处的能谱中存在中断。我们提出，由破坏产生的波动是循环的通量绳，这可能已经在太阳风中观察到。我们预测这些结构的振幅和半径之间的关系，并量化的重要性的中断过程中的级联的未中断的结构的填充分数和分数减少的能量包含在它们中的离子声标度$ρ_s$。这两种组分都强烈依赖于$β_e$，在较低的$β_e$下，破坏的结构变得更加重要。最后，我们预测，$λ_{\rm D}$和$ρ_s$之间的能谱是陡峭的比$k_\perp^{-3}$，当这个范围存在。这种陡峭的“过渡范围”有时会在太阳风湍流的短时间间隔内观察到。因此，无碰撞磁重联的发生可能会显著影响离子陀螺仪周围等离子体湍流的性质。
2017-10-12 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Turbulent transport in 2D collisionless guide field reconnection
无碰撞等离子体中的输运通常被称为反常输运，这是由于粒子与自发湍流之间的相互作用。由于它的相关性，天体物理和空间等离子体，我们探讨了在电流片容易组件或导场重联，一个过程还没有得到很好的理解，湍流的激发。我们使用2.5D粒子在细胞（PiC）代码模拟分析的异常输运性质。我们分裂的平均，缓慢的变化（相对于快速湍流波动）的宏观观测，并确定的主要运输条款的广义欧姆定律。我们通过与独立确定的宏观电流的慢化率和湍流波动的一阶相关性获得的输运项进行比较来验证我们的发现。我们发现，湍流在导场重联的“低密度”分界线区域最为强烈。它是由流动不稳定性激发的，它主要是静电的，在空间中是“片状的”，因此是相关的准周期性异常输运。剩余的不可逆异常电阻率可以通过有效碰撞频率来参数化，有效碰撞频率范围从局部离子回旋到低混合频率。对由湍流平衡的缓慢变化的DC-电场的平行和垂直（对磁场）分量的贡献是相似的。然而，这种反常的电场比非对角压力项和欧姆定律的电子惯性项的贡献小。这一结果现在可以通过多航天器飞行任务MMS对地球磁层磁重联区域内和周围的湍流进行现场测量以及在MRX和VINETA-II等实验室实验中进行验证。
2017-02-13 physics.plasm-ph physics.space-ph
The electron foreshock at high-Mach-number nonrelativistic oblique shocks
在宇宙中，恒星和致密天体之外的物质主要由无碰撞等离子体组成。超音速等离子体流与障碍物的相互作用导致无碰撞激波，这种激波通常与强烈的非热辐射和宇宙射线粒子的产生有关。受超新星遗迹中非相对论高马赫数激波模拟的启发，我们研究了斜激波扩展前震中相对论电子束激发的不稳定性。在内部和外部前震区域的相空间分布推导出与粒子在细胞模拟的冲击，并作为初始条件的模拟与周期性的边界条件，以研究其松弛向平衡。我们发现，所观察到的电子束不稳定性同意非常好的线性色散分析的预测：静电电声不稳定性占主导地位的前震的外部区域，而更密集的电子束在内部前震驱动的陀螺共振的哨声不稳定性。
2022-04-12 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Efficient proton acceleration from laser-driven cryogenic hydrogen target of various shapes
本文从理论上研究了超短脉冲激光与不同形状低温氢靶相互作用的高能质子束与三维粒子的细胞模拟。在这里，我们表明，在激光和靶参数之间的适当条件下，质子被加速到高能量，主要是由于无碰撞冲击加速机制结合TNSA。给出了质子能量与激光场、靶形状和厚度的关系。结果表明，用强激光（20fs，2PW）辐照最佳厚度的低温氢靶，可以有效地产生小发散角的高能质子束（100MeV）。我们的结果还表明，衍射激光场强烈影响离子的准直，因为它通过旁边的质量有限的目标。这种方法预测了一种可能的途径来控制激光驱动离子源。
2018-01-22 physics.plasm-ph
Laser-driven shock acceleration of monoenergetic ion beams
我们表明，单能离子束可以加速由中等马赫数碰撞，静电冲击传播在一个长尺度长度指数衰减等离子体轮廓。强激光脉冲在临界密度附近产生的强等离子体加热和密度陡化可以发射在扩展等离子体中高速传播的激波。由于与缓慢减小的密度分布相关联的小且恒定的鞘层电场，单能离子束的产生是可能的。通过理论和多维粒子模拟确定了高质量，高能离子束加速的条件。离子能量与激光强度的比例关系表明，用最先进的100 TW级激光系统产生$\sim 200$ MeV质子束是可能的。
2012-10-05 physics.plasm-ph
Laser cluster interaction in external magnetic field: emergence of nearly mono-energetic weakly relativistic electron beam
最近关于激光（波长800 nm，强度$>10^{16}\, \Wcmcm$）与环境磁场中氘纳米团簇（$B_0$）相互作用的研究[Sci Rep 12，11256（2022）]表明，激光的无碰撞吸收通过非谐共振（AHR）和电子回旋共振（ECR）或相对论ECR（RECR）过程分两个阶段发生。辅助$B_0$通过改善ECR/RECR的频率匹配以及延长5 fs（fwhm）宽带脉冲的相位匹配来增强激光与团簇电子的耦合，并且每个电子的平均吸收能量$\overline{\mathcal{E}}_A$显著地跃升为其有质动力能量（$\Up$）的$\approx 36-70$倍。在本文中，我们报告这些高能电子的能量色散和它们的角分布在位置和动量空间进行混合PIC模拟。通过在高强度$\approx 10^{16} - 10^{18}\,\Wcmcm$下模拟较大的团簇（半径$R_0 \approx 3-4$ ~nm），我们发现$\overline{\mathcal{E}}_A\approx 36-70\,\Up$类似于小团簇（$R_0\approx 2$ ~nm），但总能量吸收随着团簇尺寸的增加而几乎线性地增加，这是由于更多数量的可用能量载流子。
2023-03-03 physics.plasm-ph
The Efficiency of Coherent Radiation from Relativistic Shocks
本文讨论了磁化无碰撞等离子体中天体物理相对论激波产生强电磁波发射的机制。在磁化激波处，粒子被激波压缩的磁场反射，产生环状动量分布，引起等离子体不稳定性。同步脉泽不稳定性（SMI）激发时，将产生强相干的高频电磁波，而韦伯不稳定性（WI）为主导模式时，将产生非传播的磁涨落。这个问题在天体物理学上有很大的意义，因为如果发射出强烈的辐射，与上游介质的相互作用会产生一个大振幅的静电场（或尾场），这可能对超高能宇宙射线的加速起作用。我们回顾了我们最近的努力，以测量电磁波发射效率使用完全自洽的，二维（2D）的粒子在细胞（PIC）模拟对等离子体。我们发现，在2D的发射效率是系统低于一维（1D）PIC模拟结果。然而，即使当WI活动以产生大幅度磁波动时，功率仍然有限。简要讨论了目前的结果的天体物理意义。
2019-02-17 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Vlasov simulation of laser-driven shock acceleration and ion turbulence
本文采用Vlasov方法，即动力学欧拉方法，模拟研究了强激光与过密等离子体相互作用激发的非线性无碰撞离子声激波和孤子。Vlasov代码的使用避免了低粒子统计的问题，并允许验证粒子在细胞中的结果。为了保证相对论区域的电荷守恒，对Vlasov方程的数值积分分裂法进行了一个简单的修正。我们表明，离子分布的影响，在激光等离子体相互作用表面产生的相对论性的“快”电子束驱动的湍流的发展。这导致在冲击波前的离子反射的发病在一个最初的冷等离子体中，只有孤子的解决方案，没有离子反射预计传播。我们给出了一个简单的分析模型来描述的湍流的发病作为一个非线性耦合的离子密度与快速电子流，考虑到相对论电子束的脉冲性质。
2016-01-06 physics.plasm-ph
Absorption of High Intensity, High Contrast Femtosecond Laser Pulses by a Solid
对固体中高强度飞秒激光吸收的基本理解对于高能量密度科学至关重要。这个多维问题有许多变量，如激光参数，固体靶材料和几何形状的激励。这对于基本了解强激光-物质相互作用以及“等离子体镜”等应用都很重要。在这里，我们实验观察到高强度，高对比度飞秒激光吸收的光学抛光熔融石英靶在近相对论激光强度（$\sim$ 10 $^{18}$ W/cm $^2$）。作为入射角和入射能量的函数的激光吸收研究为$p$和$s$偏振脉冲的详细信息，提供了一个强有力的指示存在的碰撞过程。在最佳入射角下，几乎高达80%的激光（$p$偏振）能量被吸收在靶中。在近相对论强度下如此高的吸收百分比以前从未观察到。在较小的入射角下，高反射率（例如，在30 $^\circ$入射下约60 - 70%）表明，该研究基本上与近相对论强度下的等离子体镜相关。
2018-07-20 physics.plasm-ph
Anomalous Relativistic Emission from Self-Modulated Plasma Mirrors
ELI Beamlines Facility, The Extreme Light Infrastructure ERIC（ELI光束线设施，极端光基础设施ERIC）；Faculty of Mathematics and Physics, Charles University（查理大学数学物理学院）；Institute of Laser Engineering, Osaka University（大阪大学激光工程研究所）；Faculty of Nuclear Science and Physical Engineering, Czech Technical University in Prague（捷克布拉格工业大学核科学与物理工程学院）；Kansai Photon Science Institute, National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology（量子与放射科学研究所关西光子科学研究所）
研究揭示了等离子体镜反射高阶谐波时，时空相干性丧失导致异常方向性辐射的高效产生机制，通过分析与粒子-细胞模拟验证了激光驱动的相对论电子微束振荡作用。
2023-10-16 physics.optics physics.plasm-ph
Laser-cluster interaction in an external magnetic field: the effect of laser polarization
研究外部磁场下激光与团簇相互作用中激光偏振的影响，发现圆偏振激光下电子能量增强，核心方法为刚性球模型与粒子网格模拟，主要贡献是揭示偏振对吸收机制的作用。
2024-05-24 physics.plasm-ph
Increase of the Density, Temperature and Velocity of Plasma Jets driven by a Ring of High Energy Laser Beams
由多束高能激光（如Omega和NIF）驱动的超音速等离子体外流已经并将被用作各种实验室天体物理实验的平台。在这里，我们提出了一种新的方式发射高密度和高速度，等离子体射流使用多个强激光束在一个空心环的形成。我们表明，这样的喷气机提供了一个更灵活和多功能的平台，为未来的实验室天体物理实验。使用高分辨率的流体动力学模拟，我们表明，准直射流可以实现更高的密度，温度和速度时，多个激光束聚焦在目标上形成一个中空的环形图案，而不是聚焦到一个单一的点。我们进行了模拟与不同的环半径，并研究其对射流性能的影响。实验室无碰撞冲击实验的影响进行了讨论。
2013-04-15 astro-ph.HE physics.plasm-ph
