强激光与近临界密度等离子体相互作用及加速带电粒子的研究

【摘要】超强激光与等离子体相互作用的领域已经历了近30年的研究,广泛而有意义的应用前景和不断取得的重要进展使其目前仍然是物理学界最感兴趣,研究最密集的领域之一。在激光与等离子体相互作用的研究中,激光加速器的新原理以及相关的物理现象在近十年来一直是国际上的研究热点。从激光加速的角度出发,针对稀薄等离子体和高密度的等离子体靶的研究比较多,而对于近临界密度靶的研究则比较少。然而随着激光技术的发展,利用近临界密度靶来设计的加速方案逐渐受到重视。本文基于PIC数值模拟方法,对强激光与近临界密度等离子体相互作用及激光加速的理论进行了探索,主要包括了以下几个内容：(1)超强激光激发等离子体尾波场加速电子通过研究发现,随着等离子体初始密度的变化,强激光激发的等离子体尾波场呈现出有规律的变化趋势,其极大值与等离子体密度的平方根成正比,而其宽度与等离子体密度的平方根成反比,此外尾波场的形态在低密度等离子体中随时间的演化较为平缓,而随着初始等离子体密度的上升,尾波场的宽度和强度均会随时间发生较大的振荡,这会在一定程度上影响加速电子束团的束流品质。与低密度等离子体中的的空泡尾波场加速机制不同,在近临界密度等离子体下,电子排空区域的尾部并不能被电子回流所闭合形成完整的封闭的空泡结构,回流电子束感受到极强的纵向库仑分离场作用而被急速扭摆进入向前加速的阶段。同时由于等离子体密度较高,因之形成的库仑分离尾场也较强,电子的加速梯度可达数十个GeV/cm,远大于低密度等离子体中的加速梯度。我们首次详细地分析了激光与近临界密度等离子体相互作用中尾波场以及电子加速的特性。(2)超强激光引起的等离子体自通道及其相对论条件判据在关于等离子体通道的形成方面我们发现,当激光的功率密度较强时,受到激光有质动力作用的电子会在短时间内被加速到接近光速,相对论效应必须予以考虑。因此我们提出了等离子体自通道形成的相对论修正判据,并通过大量粒子模拟进行了验证验证,发现其在大部分参数空间下都是有效的,但是当等离子体密度较大和激光功率密度过小时会发生一定的偏差。根据此通道形成判据,等离子体自通道现象可以在激光功率足够强并且初始等离子体密度接近于近临界条件时由超短的飞秒脉冲来激发得到,并在模拟事例中,成功地得到了这样能够稳定存在至皮秒(10-12s)量级的通道结构。等离子体自通道效应可以有效地抑制激光的衍射横向发散现象,并使激光在通道内发生自聚焦,维持其强度,保证激光在传播数个瑞利长度之后在其传播轴上的功率密度没有明显的衰减。(3)基于等离子体通道内库仑爆炸的离子加速与反冲电荷累积效应我们研究发现,在强激光与近临界密度等离子体相互作用时,在强的激光有质动力作用下,电子能比较容易全排空,并形成等离子体自通道。在等离子体通道内,从左边界向内,将持续发生库仑爆炸现象。我们发现,通过库仑爆炸被加速的离子能够在等离子体通道的反向溢出,并被收集,离子束团具有一定的准直性。同时,由于等离子体通道内的库仑爆炸能持续发生,反冲离子束具有较高的电量。我们从理论上预估了加速离子束团的最大能量和收集电量与初始等离子体密度之间的联系,并给出了电子全排空的激光强度条件。(4)高能尾波场电子束牵引加速离子的机制我们提出了利用近临界密度条件下产生的高能尾波场电子束团作为引导源来加速离子的方案。与TNSA或BOA机制不同,由于引导尾波场电子束与热电子相比具有高能和高准直性的特点,因此在该机制下可以实现对粒子的长程加速和准直性引导。在此基础之上,我们改进了靶结构的设计,使用了双层的复合靶结构,提高了激光和离子的能量转换效率,加速离子束团得到了更高的能量和电量,获得了能量达到GeV量级的准直离子束团。综上,本文通过粒子模拟程序,着重研究了超强超短激光脉冲与近临界密度等离子体相互作用的物理图象,发现这一参数空间在维持激光能量方面和加速电子、离子方面都有较好的效果,存在进一步探索和应用的价值。
【作者】顾彦珺；
【导师】孔青；
【作者基本信息】复旦大学，原子与分子物理，2013，博士
【关键词】等离子体粒子模拟；激光尾波场电子加速；等离子体通道；库仑爆炸；近临界密度等离子体；离子加速；

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