飞秒激光与固体靶相互作用的前向快电子束发散研究

为了研究前向快电子束的发散问题,采用飞秒激光辐照平面铜靶,以电子角分布仪和氟化锂(LiF)热释光探测器探测快电子的前向发散角。实验显示前向快电子束发散角均在95°(半高宽FWHM)以上。理论计算指出预等离子体中电子的初速度以及加速后的电子在靶内碰撞效应均不是产生大发散角的重要原因。根据激光-等离子体相互作用理论,等离子体中的电磁场才是导致前向快电子束产生较大发散角的主要原因。这个研究为获取较小发散角的前向快电子束提供了实验设置的依据。     

填充预等离子体通道靶激光电子加速研究北大核心CSCD

采用紧聚焦的超强短脉冲激光与固体通道靶相互作用是获得大电量、高准直相对论电子束的一种有效方式。实验中由于激光预脉冲烧蚀靶壁产生预等离子体会膨胀、填充到真空通道中,从而导致电子束品质发生变化。采用二维PIC粒子模拟程序研究了通道靶中填充预等离子体的电子加速过程。模拟结果显示,在功率密度为5.0×10^(20W/cm^(2))的超强短脉冲激光条件下,通道中填充一定密度的等离子体时激光场优先与低密度等离子体相互作用,激光脉冲与通道壁的相互作用减弱,电子加速机制由纵向场主导的真空电子加速转变为横向电场主导的等离子体电子加速,产生电子束具有更大的电荷量,但能量降低,发散角增大。     

飞秒激光辐照铝靶产生快电子发射的实验和模拟研究

采用实验和数值模拟研究了飞秒激光辐照铝靶产生的快电子发射。实验中,在主脉冲前加上一个预脉冲产生预等离子体,然后主脉冲与预等离子体作用产生快电子。在激光反射方向附近,实验测量的快电子束发射与数值模拟的结果高度地一致;在靶背面,发射的快电子的数目小于数值模拟的结果,原因在于快电子在靶内输运受到电荷分离场和碰撞的影响;在数值模拟中未出现的,沿靶表面发射的快电子束,是由表面准静态电磁场的禁闭效应产生。     

飞秒激光辐照铝靶产生快电子发射的实验和模拟研究

采用实验和数值模拟研究了飞秒激光辐照铝靶产生的快电子发射.实验中,在主脉冲前加上一个预脉冲产生预等离子体,然后主脉冲与预等离子体作用产生快电子.在激光反射方向附近,实验测量的快电子束发射与数值模拟的结果高度地一致;在靶背面,发射的快电子的数目小于数值模拟的结果,原因在于快电子在靶内输运受到电荷分离场和碰撞的影响;在数值模拟中未出现的,沿靶表面发射的快电子束,是由表面准静态电磁场的禁闭效应产生.     

快电子发散角的实验测量

采用飞秒激光辐照铜靶,利用电子角分布仪和LiF热释光探测器测量了快电子发射的发散角.实验结果显示,快电子的发散角与激光入射角密切相关,随着激光入射角增加,快电子的发散角逐渐减小.在相同入射角条件下,加上预脉冲将导致快电子的发散角变小.这个结果为获取较小发散角的快电子束提供了实验参考.     

相对论皮秒激光在低密度等离子体中直接加速的电子束的横向分布特征研究

相对论皮秒激光与低密度等离子体作用可以通过"激光直接加速"机制获得超有质动力定标率的高能电子,且电荷量可以达到百n C级,在伽马射线产生、正电子产生等方面具有重要应用.然而激光直接加速电子束相比激光尾场加速电子束具有更大的发散角,同时实验观测的横向束分布也不均匀,但是其中的物理机制研究较少.本文通过二维粒子模拟证明,相对论皮秒激光在低密度等离子体中驱动的激光直接加速中,高能电子束会在激光偏振方向分叉,而且电子能量越高这种现象越明显.文章通过细致的理论分析解释了这种高能电子横向分布产生"分叉"结构的内在原因.在激光直接加速的过程中,电子在纵向获得加速的时候,它在激光偏振方向(横向) betatron振荡的动能也会随之增加,当电子的能量足够高时,二者呈线性关系,因此高能电子的横向速度的振幅近似相等,这种相等的振幅最终导致了高能电子束在激光偏振方向的分叉.     

强激光与等离子体相互作用中沿靶表面发射的高能超热电子

在强激光与等离子体相互作用研究中，文章作者从实验上首次观测到沿靶面方向发射的高能超热电子束．该电子束只有在等离子体电子密度标长较短的条件下才会出现。数值模拟表明，靶表面电磁场的约束作用是产生这束电子的主要原因。这一结果有助于加深对激光惯性约束聚变快点火实验中的锥靶物理过程的理解，并有潜在的应用前景。     

近相对论强度激光与薄膜靶相互作用中靶厚度对超热电子发射方向的影响

研究了近相对论强度的激光脉冲与薄膜靶相互作用中，靶厚度对超热电子发射方向的影响.实验发现，随着靶厚度的增加，靶后超热电子的发射方向向靶的法线方向移动，同时电子束的发散角变大.结果分析表明，靶背面电荷分离场强度的变化是影响电子发射方向的主要原因. 关键词： 飞秒激光脉冲 超热电子 靶厚度     

基于激光等离子体加速的自由电子激光研究新进展

激光等离子体加速器能够在cm尺度内产生GeV量级的高品质电子束,为研制台式化自由电子激光提供驱动源。但是受限于激光等离子体加速中的难点和现有技术发展,电子束的品质难以达到自由电子激光的需求,尤其在稳定性、发散角和能散等方面,阻碍了台式化自由电子激光的研制。介绍了基于激光等离子体加速器的自由电子激光的最新进展,整理了目前高增益自由电子激光实验过程中存在的主要挑战和对应的解决方案与实验进展,并展望未来的发展方向。最近的研究结果证明,通过控制和优化激光等离子体加速器的注入和加速过程产生的高品质电子束可以在指数增益区域实现自发辐射放大,产生高增益的辐射,这也推动基于激光等离子体加速器的自由电子激光研究进入了一个新的阶段。     

激光入射角对靶面方向超热电子发射的影响

实验研究了超短超强激光脉冲与薄膜靶相互作用中产生的超热电子角分布随激光入射角的变化.在靶面方向观测到一束方向性很好的高能超热电子.该高能超热电子束的电子数目随着激光入射角的增大而增大.对结果的分析表明，表面准静态磁场是导致表面电子产生的主要原因. 关键词： 超热电子 表面准静态磁场 超强激光脉冲与等离子体相互作用     

相对论飞秒激光辐照表面调制靶产生高定向性正电子束

激光驱动的正电子源具有高产额、短脉宽、高能量的优点。采用粒子模拟和蒙特卡罗模拟相结合的方法,对相对论飞秒激光与表面具有微米丝阵结构的调制靶相互作用产生正电子束的过程进行了全三维的模拟研究。结果表明,在激光能量约3.2 J、脉宽约为40 fs的情况下,可得到产额为1011量级、最大能量达120 MeV的超热电子束,其轰击高Z转换靶可达到产额为109量级、截止能量约50 MeV的正电子,且正电子的发散角仅为4.92°。相比于平板靶,表面调制靶的使用可以提高正电子的产额、能量和定向性。     

强激光与双锥靶作用加速准单能质子束

提出了一种新型的双锥靶结构用于准单能质子束加速。利用二维PIC粒子模拟程序研究了强激光与双锥靶作用加速产生质子束的物理过程以及质子束品质。双锥靶产生的质子束在峰值能量和发散角度等方面都明显优于相同激光条件下单锥靶和平面靶的结果。尤其与平面靶相比,双锥靶质子束的峰值能量提高了5倍以上,而且很好地保持准单能性。一方面双锥靶的内锥部分是临界密度材料,提高了激光的吸收效率;另一方面双锥靶内形成了更强的准静态磁场,可以约束引导更多的超热电子传输过锥尖,进而增强加速质子束的鞘层电场。     

通道靶对超强激光加速质子束的聚焦效应

发散角过大是制约超强激光与固体靶相互作用加速产生高能质子束应用的一个重大物理难题.本文提出了一种结构化的通道靶型,与超强激光相互作用可提高质子束的发散特性,通道壁上产生的横向电荷分离静电场可对质子有效聚焦.采用二维particle-in-cell粒子模拟程序对激光通道靶相互作用过程进行了研究,分析了加速质子束的性能特点.模拟结果表明,与传统平面靶相比,通道靶可以在不过多损失能量的情况下产生具有更好准直性的质子束,尤其当通道靶的直径与激光焦斑尺寸和质子源尺寸相当时,横向静电场能够有效聚焦质子束,并且可保证相对较高的激光能量利用率.     

强激光与柱腔靶作用下准直高能电子束的产生

利用二维PIC粒子模拟程序研究了超短超强激光脉冲与柱腔靶相互作用产生的表面超热电子加速现象。采用光强为1021 W/cm2量级的超高斯激光脉冲掠入射进入柱腔靶,在靶的内壁上观察到了GeV量级的表面超热电子。超热电子束被准静态的电场和磁场约束在内壁表面附近,保证了电子束的准直性,发散角仅为1.6°;并且由于超热电子束在纵向激光电场中加速了mm级的距离,激光到高能电子(100 MeV)的转换效率达到了26.6%。另外,通过多参数模拟和理论解析讨论了激光的光强以及横向空间分布对这种表面超热电子加速的影响。     

Influence of angles of incidence of laser radiation on the generation of fast ions

It was established experimentally that the number and energy of fast ions in laser plasma increased with increasing angle of focusing laser radiation onto a flat target. Numerical calculations showed that the increase in angle of focusing brought the mean angle of incidence of laser radiation closer to the optimal angle corresponding to the maximal efficiency of the resonance absorption mechanism and, as a result, increased the fraction of absorbed laser energy in the energy of fast electrons and increased the number of fast electrons. In turn, the increase in the energy and number of fast electrons resulted in an increase in the number of fast electrons involved in the formation of a self-consistent electric field at the target edge and led to the growth of the field strength, which, eventually, was the reason for the increase in the number and energy of fast ions.     

Optically controlled seeding of Raman forward scattering and injection of electrons in a self-modulated laser-wakefield accelerator

Optical seeding of plasma waves and the injection of electrons are key issues in self-modulated laser-wakefield accelerators. By implementing a copropagating laser prepulse with proper timing, we are able to control the growth of Raman forward scattering and the production of accelerated electrons. The dependence of the Raman intensity on prepulse timing indicates that the seeding of Raman forward scattering is dominated by the ionization-induced wakefield, and the dependence of the divergence and number of accelerated electrons further reveals that the stimulated Raman backward scattering of the prepulse plays the essential role of injecting hot electrons into the fast plasma wave driven by the main pulse.     

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采用飞秒激光与薄膜靶相互作用测量了前向超热电子的分布和能谱。结果显示,前向超热电子主要集中在靶背法线方向附近区域发射,而超热电子的能谱呈双温类麦克斯韦分布。根据所测超热电子能谱和分布推算出前向超热电子总产额约1.23×108shot-1和前向超热电子的总能量约4.65×1011keV.shot-1,最后给出激光能量转化为前向超热电子能量的转化效率约5.72×10-4,这些结果与文献[17]的较好地一致。     

强激光与细锥靶相互作用产生强流高能电子束的研究

本文提出采用了强激光与细锥形靶作用, 产生大量定向高能电子, 用于快点火激光聚变方案研究. 通过PIC 模拟, 研究了细锥靶和激光脉冲的各项参数, 对产生高能电子的影响. 模拟发现, 细锥靶开口10° 时能够产生较多的高能电子, 当开口角度逐渐增大时, 高能电子的能量和数目都有一定程度下降. 若为细锥靶加上预等离子体, 产生的高能电子的数目将大大提高, 而最高的电子能量将会下降. 中等能量的电子加速主要由于激光有质动力加速, 而高能量的电子加速主要由于电子感应加速. 随着激光脉宽的增加, 高能电子的数量直线上升. 关键词： 细锥形靶 电子加速 感应共振加速     

金锥对靶背向超热电子分布的影响

 采用20 TW啁啾脉冲放大的ps激光辐照金锥靶和平面靶，对靶背向产生的超热电子角分布和能谱进行了实验研究。结果表明:金锥对超热电子的产生具有重要的影响。与平面靶情况相比，锥形靶靶背向产生的超热电子数量增加，电子能量为2.0~2.5 MeV的超热电子数目有大幅度增长；锥形靶背向超热电子的空间发散角大于平面靶,这是由于啁啾脉冲放大激光所固有的较高脉冲前沿产生的预等离子体造成的影响。