非相对论激光强度下由相对论等离子体共振引起的激光辐射高阶谐波产生

摘要： 在不均匀等离子体中，当达到临界密度时，即使激光强度未达到相对论水平，著名的等离子体共振（转化为等离子体波）也极易呈现相对论非线性特性——这是因为产生的静电场会显著增强。因此，激光等离子体中基于等离子体共振的谐波产生理论（该理论被广泛采用）亟需重新审视。我们建立了非相对论强激光在空间不均匀等离子体中传播时高次谐波产生的解析理论，推导出谐波辐射场的频谱与角向特征，并揭示了等离子体共振处相对论非线性对谐波能谱形成的作用。该理论的适用范围由临界等离子体密度附近的波破条件决定（我们对此进行了明确分析）。通过与传统微扰方法对比发现：后者仅适用于低激光强度情形，这种对比清晰表明线性等离子体共振的谐波产生理论存在缺陷。本文提出的相对论理论（其适用上限为等离子体波破对应的激光强度）显示，高次激光谐波会形成平滑的幂律能谱——这与传统微扰理论形成鲜明对比。研究还揭示了谐波频谱调制现象，这是相对论非线性独有的特征。