推导
先缠紧条纹,再把它解开
t=0 时一个波数为 k1 的脉冲,在电场衰减之后留下正比于 e−ik1x+ik1vt 的扰动:速度方向的条纹波数以 k1t 增长。t=τ 时第二个脉冲,波数 k2,用 eik2x−ik2v(t−τ) 调制整个分布,第一脉冲留下的条纹也在其中。
乘积里有一项的空间波数是 k3=k2−k1,速度相位是 v[k1t−k2(t−τ)]。第二个脉冲之后,方括号不断缩小,在某一刻变成零。那一刻这一项在速度方向变得光滑,积分留下非零值,波数为 k3 的电场就出现了。
完整例题
例题:三组脉冲
回波 Lab 的盒长是 4π,第 m 个模式的波数 k=0.5m。先打模式 1、再打模式 2,间隔 τ=20:τ′=1.0×20/0.5=40,回波在模式 1。模拟的包络峰值在 40.46。先模式 2、再模式 3,τ=15:τ′=1.5×15/0.5=45,测得 45.04。先模式 1、再模式 3,τ=20:τ′=1.5×20/1.0=30,回波在模式 2,测得 30.53。
这些小偏差不到一个振荡周期(2π/1.42≈4.4 个时间单位)的一部分,振荡电场的峰值本来就只能定到这个精度。把顺序反过来,先模式 2、再模式 1:这时 k2<k1,公式给出的时刻落在第二个脉冲之前,模拟里也找不到回波。
回波是脉冲的二阶效应
回波项是两次调制的乘积,幅度与两个脉冲强度都成正比。项目基准测试里,第一脉冲加倍,回波变为 2.00 倍;第二脉冲加倍,变为 1.94 倍。第二个脉冲的推动已经不比条纹间距小很多,更高阶的项开始分走一部分。
1967 年论文的图 1 画出回波包络先升后降,两侧速率不同。第 8 章读这张图和它背后的公式,并用模拟检验这两个速率。
是回波,还是网格复现?
第 3 章说过,粗速度网格会在回波时刻附近造出一个复活的电场。用 32 个速度格,回波模式的电场在 38.6 出现峰值。这个时刻晚于两个脉冲各自的网格复现(33.5 和 36.8),早于预言的 40,峰高约为真回波的六倍。换成 128、256 或 512 格,这个假信号消失,真回波留在原来的时刻。物理回波和数值回波,就靠这个检验分开。
基准测试还加了第二项:格宽不变、速度上限从 6 放宽到 12,回波时刻不变,速度方向的周期边界也就排除了。
带着问题动手
先预测,再改变,最后解释
- 选模式 1 再模式 3、间隔 30,运行之前先算出回波时刻和回波模式。
- 把间隔调到 30,选“模式 1,再模式 3”。打开“只显示回波模式”,看条纹怎样解开。
- 用条纹频谱图解释回波:产生回波的那组条纹,金线在回波时刻降到零。
三个相空间 Lab 用等离子体单位求解一维电子模型,每个 Lab 都能导出参数、模型版本和电场历史。
试着自己解释
1. 先模式 1、再模式 3,τ=30,回波何时出现、在哪个模式?
展开答案与解释
k1=0.5,k2=1.5,τ′=1.5×30/1.0=45,k3=1.0,即模式 2。
2. 第二个脉冲波长更长时,为什么没有回波?
展开答案与解释
k2<k1 时,方括号 k1t−k2(t−τ) 在第二个脉冲之后继续变大。条纹永远解不开,τ 之后没有哪一刻能消掉它们对速度的依赖。
3. 把两脉冲间隔加倍,回波时刻和它离第二脉冲的距离怎样变?
展开答案与解释
都加倍,因为 τ′ 和 τ′−τ=k1τ/(k2−k1) 都与 τ 成正比。回波也要等更多个朗道阻尼周期才出现,所以它和两个脉冲分得很开。