Modelování absorpce laserového záření v plazmatu trasováním paprsků

Abstract

Tato diplomová práce se zabývá modelováním absorpce laserového záření v plazmatu. Laserem generované plazma modelujeme 2D hydrodynamickým kódem na lagrangeovské mřížce pohybující se spolu s plazmatem. Laserový svazek se rozdelí na mnoho paprsků a absorpce energie techto paprsků v materiálu je popsána různými modely. První z těchto modelů je absorpce na kritické ploše, ve které trajektorie paprsků není nijak ovlivnena plazmatem a uvažujeme absorpci energie paprsku v první bunce s nadkritickou hustotou volných elektronů, na kterou daný paprsek při průchodu mřížkou narazí. Druhý model je absorpce trasováním paprsků, ve kterém se paprsky na hranách bunek ohýbají dle Snellova zákona a část energie každého paprsku, daná inverzním brzdným zářením, se absorbuje v každé bunce, kterou paprsek prochází. Trasování paprsků budeme provádet ve 2D i ve 3D. Ve 2D zůstává jak hydrodynamika, tak i paprsky v 2D cylindrické r, z souřadné soustave. Ve 3D používáme 2D hydrodynamiku a mřížku vytvořenou opsáním 2D mřížky kolem svislé osy z. Každý bunka tak je prstencem, jehož stěny jsou výseče kuželů, válců nebo rovin. Paprsky potom ve 3D procházejí těmito prstenci a ohýbají se na jejich stěnách. Modely absorpce jsou otestovány a porovnány na vzorových příkladech interakce laserových svazků s terčíkem.

This Master thesis deals with modelling of laser absorption in plasma. Laser generated plasma is modelled using a 2D hydrodynamic code on a Lagrangian mesh, which moves with the plasma. The laser beam is divided into many rays and the absoprtion of these rays is computed using various models. The first of these models is critical surface absorption, in which ray trajectories are unaffected by the plasma and we assume energy deposition in the first cell the ray enters, which has overcritical electron density. The second model is absorption using ray-tracing, in which rays refract at cell edges according to Snell’s law, and some portion of each rays’ energy, determined by inverse bremsstrahlung, is deposited in each cell the ray passes through. We will develop both 2D and 3D ray-tracing models. In the 2D model we use 2D hydrodynamics and rays in a 2D cylindrical r, z coordinate system. In 3D we use 2D hydrodynamics and a 3D mesh that is created by rotating the 2D mesh around the vertical z axis. Each cell is then a ring and its walls are sectors of cones, cylinders or planes. The rays then propagate through these rings and refract at their edges. These models are tested and compared using test cases simulating interaction of laser beams with targets.