激光等离子体课题组在强矢量光自生磁场研究中取得进展

发布时间:2023-01-13

近日,等离子体物理与聚变工程系贾青特任教授课题组研究了全庞加莱光束在等离子体中传播时产生准静态自生磁场的现象。通过同时考虑非线性拍频电流及等离子体抗磁效应的作用,理论上给出了具有方位角分布的轴向磁场结构,并通过三维粒子模拟进行了验证。相关成果以“Inverse Faraday effect of weakly relativistic full Poincaré beams in plasma”为题发表在Matter and Radiation at Extremes》期刊上,第一作者是博士研究生刘伟。

准静态自生磁场在粒子加速、新型辐射源、激光聚变等激光等离子体相互作用过程中发挥着重要作用。在众多准静态磁场产生机制中,逆法拉第效应(Inverse Faraday effect, IFE)尤其重要。在过去的IFE研究中,大多数研究者关注的是圆偏振标量光在等离子体中传播时产生的轴向磁场。近些年来,得益于快速发展的光场调控技术,偏振横向非均匀分布的矢量光引起了广泛关注,比如包含所有激光偏振态的全庞加莱光束(full Poincaré beams),其可以通过在相互正交偏振上选取不同角向的拉盖尔-高斯(Laguerre–Gaussian, LG)光束得到。全庞加莱光束在等离子体中的传播行为及潜在应用值得进一步探索。

在该工作中,作者重点研究了弱相对论全庞加莱光束的逆法拉第效应。从电子流体方程和广义涡度守恒理论出发,通过考虑非线性拍频电流及等离子体抗磁效应的综合作用,建立了一个同时包含激光偏振态及激光模式的自洽理论模型。结果表明,全庞加莱光束在等离子体中传播会产生随方位角变化的磁场,其显著区别于圆偏振光束下的环向均匀磁场结构[1(a)]。此外作者还指出,该磁场的结构主要由构成全庞加莱光束的两个LG光束角向模式差Δl 及相位差Δφ决定。上述理论结果被三维粒子模拟非常好地验证。该研究将逆法拉地效应拓展到弱相对论矢量光的情况,提出了一个产生与方位角相关的轴向磁场方案,为磁化等离子体器件的设计提供了新的角向自由度。该项研究得到了国家自然科学基金和中科院先导专项等基金的资助。文章全文见:https://doi.org/10.1063/5.0120072

1. 准静态轴向自生磁场的横向分布。(a)-(d)理论结果;(c)-(f)相应三维粒子模拟结果。激光模式:(a)(e)圆偏振LG光;(b)-(d), (e)-(f)不同全庞加莱光束

2. (a)全庞加莱光束光强及偏振分布;(b)-(e)(a)中不同红色标记处电子运动轨迹


等离子体物理与聚变工程系简介:

等离子体物理与聚变工程系(校内编号52系)成立于2020年,是中国第一个专门从事等离子体物理与聚变工程教学科研的系级单位,其前身是成立于1974年的等离子体物理教研室。52系具有应用物理和工程物理两个本科专业,招收物理学(等离子体物理)以及核科学技术(核能工程)两个培养方向的研究生。

Matter and Radiation at Extremes期刊简介:

《极端条件下的物质与辐射》(Matter and Radiation at Extremes, MRE) 是中国工程物理研究院创办的全球第一本聚焦极端科技的专业学术期刊。MRE2016年创刊以来已被SCIEIScopusInspecProquestEBSCOCNKI、维普、中国科学引文数据库(CSCD)等国内外重要数据库收录。2021SCIE影响因子6.0892022年位列中科院期刊分区表大类物理与天体物理类一区,TOP期刊,小类综合物理一区。