MHz脉冲串激光烧蚀过程中轻水与重水内的热电子累积

激光诱导的水烧蚀触发多种物理效应，包括原子电离、液体的光学击穿、相爆炸、空化与冲击波传播。在重水中，这些效应可通过需要极高能量水平的氘-氘聚变反应被进一步放大。激光脉冲可被组合成脉冲串，以在烧蚀等离子体羽流内达到所需的能量。本研究旨在比较在单脉冲与脉冲串模式超短激光辐照下，轻水与重水中的烧蚀等离子体发光及热效应。值得注意的是，本研究首次引入了脉冲串激光烧蚀在重水中的全新应用。烧蚀在水表面以下沿圆形激光扫描轨迹进行，采用两种不同的烧蚀模式：脉冲串模式与单脉冲模式，利用不同焦距的透镜与不同的脉冲持续时间。使用可见光与红外探测器、快速硅探测器与热电偶监测吸收过程与等离子体发光。研究揭示，当使用 1 ps 激光脉冲时，重水中的脉冲串模式产生了最强烈的等离子体发光，较短的脉冲产生较弱的发光，而最长的脉冲产生最弱的发光。令人惊讶的是，在 2.6e13 W/cm2 的较低初始功率密度下，等离子体发光比在 8e13 W/cm2 的较高功率密度下高出四倍。将这些发现与现有的关于超短激光脉冲在水中形成等离子体的理论进行了比较。脉冲串模式中脉冲间等离子体发光的增强被归因于热电子累积效应。使用强场电离与雪崩电离模型计算了激发电子与水合电子的密度。此外，还讨论了脉冲奇偶性对重水中脉冲串烧蚀发光的影响。