激光与近相对论临界密度薄层相互作用产生大电量高能电子束

研究了激光与近相对论临界密度等离子体薄层相互作用时所产生的高能电子束的主要特征,包括平均有效温度以及截止能量等.实验结果表明,电子束的电量超过nC量级,平均有效温度可达8 MeV以上.PIC数值模拟证明,近相对论临界密度等离子体内,相对论自透明效应和激光钻孔效应共同形成一条磁化等离子体通道,电子与激光将在角向磁场的协助下发生Betatron共振.激光可将电子直接加速到很高能量,因此电子束平均有效温度("斜坡温度")远远超过Wilks定标率预计的平均温度.该研究为产生高亮度X射线源提供了一种新的可能途径.     

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。     

锥形激光等离子体中Compton 散射对电子的加速

应用相对论性电子与光子非弹性碰撞模型和经典相对论电动力学理论,结合锥形飞秒强激光等离子体中的光场特性和静电场能,分析、计算了入射的高能电子束与等离子体中的光子发生多光子非线性Compton散射时对电子的加速效应,发现等离子体中的光场会引起电子加速能量的振荡;等离子体中的静电场降低电子的加速效应。用高能电子束与锥形飞秒强激光等离子体中的光子发生双光子非线性Compton散射,是加速电子最为理想的情况。     

无碰撞等离子体中电子束流不稳定性的时空演化

强激光在冕区等离子体中传播到临界面附近生成相对论电子和相对论电子束流在随后较长一段稠密等离子体区的能量传输是快点火中的关键问题。对快点火条件下的激光等离子体参数，临界面附近产生的前向快电子电流往往超过阿尔芬极限电流，必须在稠密等离子体中产生中和回流，快电子流才能在稠密等离子体中向前输运。横向电磁不稳定性（类Weibel不稳定性，WI）和纵向静电双流不稳定性（TSI）很容易在这种电子双流体系中激发，前向电子束会被调制或成丝状结构，同时激发电磁场，粒子部分动能会转化为电磁场能量。不稳定性在非线性饱和后，发生电流丝的合并、磁场重联等过程，部分电磁场能量会再转化为粒子能量，表现为对离子体的横向加热。Weibel不稳定性的作用可能形成围绕传播电子束的磁通道，对快电子的定向和准直传播是重要的。TSI激发的纵向静电场对磁场通道会有明显的调制甚至破坏作用，直接影响高能电子流从激光吸收区到燃料压缩区的准直传播。     

强激光与等离子体相互作用中低频电磁场孤子波的产生及其捕获

用二维粒子模拟程序研究了超短脉冲强激光与等离子体相互作用中局域低频电磁场的产生现象.这种低频电磁场在超短脉冲激光激发尾波场、脉冲后沿产生频率下移的过程中形成.通常它们的振荡频率接近于或低于电子等离子体振荡频率，因而被捕获在等离子体中(即传播速度接近于零).在演化过程中，通常它们以孤子场的形式出现.这种孤子波的形成及其演化与离子运动有极大关系.用相对论强激光脉冲可以产生达到相对论振幅的电磁场孤子波，后者可以把离子加速到非常高的能量.研究还表明，在二维几何位形下，孤子波产生与入射光的偏振态有很大关系.     

激光与固体靶相互作用中低密度预等离子体对高能电子产生的影响

 对线极化、圆极化的超短超强激光脉冲与靶前有一段低密度预等离子体的固体靶的相互作用进行了理论和粒子模拟研究。激光通过有质动力加速机制加速预等离子体中的电子，研究了电子获得的最大能量随激光强度和预等离子体密度的变化。当激光脉冲与靶直接作用时，靶中的电子由于J×B机制而得到加速，所获得的能量比预等离子体中电子低。研究表明，在超短超强激光脉冲与固体靶相互作用中，预等离子体的存在有利于高能电子的产生。     

电子在激光驻波场中运动产生的太赫兹及X射线辐射研究

采用单电子模型和经典辐射理论分别对低能和高能电子在线偏振激光驻波场中的运动和辐射过程进行了研究. 结果表明: 垂直于激光电场方向入射的低速电子在激光驻波场中随着光强的增大, 逐渐从一维近周期运动演变为二维折叠运动, 并产生强的微米量级波长的太赫兹辐射; 高能电子垂直或者平行于激光电场方向入射到激光驻波场中, 都会产生波长在几个纳米的高频辐射; 低能电子与激光驻波场作用中, 激光强度影响着电子的运动形式、辐射频率以及辐射强度; 高能电子入射时, 激光强度影响了电子高频辐射的强度, 电子初始能量影响着辐射的频率; 电子能量越高, 产生的辐射频率越大. 研究表明可以由激光加速电子的方式得到不同能量的电子束, 并利用电子束在激光驻波场的辐射使之成为太赫兹和X射线波段的小型辐射源. 研究结果可以为实验研究和利用激光驻波场中的电子辐射提供依据.     

低密等离子体通道中的非共振激光直接加速

在低密等离子体通道中, 横向有质动力可以有效调制电子的横向振荡过程. 一方面, 横向有质动力可以向外推动电子, 增大电子横向振荡振幅, 减小失相率, 使电子获得能量增益; 另一方面, 横向有质动力也可以通过对失相率的非线性调制来降低失相率, 在电子横向振荡振幅很小的情况下导致激光直接加速. 横向有质动力调制的大小由等离子体密度、激光强度和束宽共同决定. 三维模型结果也证实可以通过参数放大实现激光直接加速, 弥补了准二维模型的局限性.     

影响单电子非线性汤姆孙散射因素的研究

应用电子汤姆孙散射的经典理论，通过理论分析和计算机模拟，研究了超短超强激光脉冲作用下电子产生的辐射脉冲的性质.计算表明，在这种情况下，电子的辐射通常以阿秒脉冲列的形式出现.讨论了不同激光场参数（包括激光强度、脉宽、初相位和偏振态）、不同电子初始状态（初始速度和位置）对辐射脉冲的时间和空间特性的影响.通常在相对论光强条件下，激光强度越大，电子辐射越强，脉宽越窄，中心频率越大，并且方向性越好；电子在线偏振激光中产生的辐射效率，比在同样强度下圆偏振激光中产生的效率更高；无论入射光是线偏振光，还是圆偏振光,辐射场呈现较复杂的偏振态, 并且它与辐射方向有关.当电子具有一定的初始能量时，通常辐射场的振幅随电子初始能量的增大而增大.不管电子的初始能量以及运动方向如何，做相对论运动的电子产生的辐射趋向于出现在靠近电子运动方向的角度区域.     

多光子非线性Compton散射对等离子体中电子运动的影响

应用多光子非线性Compton散射模型,研究了多光子非线性Compton散射对激光等离子体中电子运动的影响,提出了将入射激光和Compton散射光形成的耦合光、耦合光与等离子体产生的自生磁场形成的混合场作为加速电子的新机制,对电子动量和能量方程进行了修正和数值模拟。结果表明,当混合场的电场振幅与磁场振幅相等时,回旋共振电子在与混合场作用时间内能被加速到很高的能量;电子加速能量随耦合光幅值的增大而增大,随电子耦合初始角度的增大而周期变小,随电子横向耦合归一化初始速度的增大,开始时较快增加,之后缓慢增加,最后趋于稳定。     

超强圆偏振激光直接加速产生超高能量电子束

研究表明, 峰值强度为10²²–10²⁵ W/cm²量级的圆偏振激光脉冲的有质动力场可以直接加速并产生GeV–TeV的单能电子束, 其中被加速电子的能量与激光脉冲的峰值强度成线性定标关系. 为了获得更高能量的电子束, 通过对一维解析模型的分析得到: 如果电子束在激光传播的方向上具一个初始能量E₀, 那么这种线性的定标关系可以被打破, 被加速电子束最终的能量可以被放大E₀倍. 这是由于具有一定初始能量的电子束不容易被激光脉冲抛在后面, 进而获得更高的加速距离. 二维粒子模拟结果显示: 当电子束的初始能量E₀为MeV量级时这个方法是有效的, 而当E₀过大时这个方法失效. 这是因为当电子的加速距离远大于激光脉冲的瑞利长度时, 激光强度的衰减使得电子束的加速错过了最佳加速场.     

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     

充气型放电毛细管的密度测量及磁流体模拟

在激光尾波场电子加速机理中,为了有效地加速电子,需要抑制衍射散焦等造成的激光传输不稳定性问题. 激光脉冲的稳定传输不仅有利于能量耦合给等离子体波,而且对电子束的注入及稳定加速有着重要影响,具有一定横向密度分布的充气型放电毛细管可以有效引导激光脉冲的传输. 利用等离子体的Stark展宽效应对毛细管产生的等离子体进行密度测量,给出了等离子体密度与充气压强之间的关系. 利用磁流体程序CRMHA对毛细管的放电特性进行了模拟,研究了毛细管引导效应的形成机理. 关键词： 充气型放电毛细管 Stark展宽 磁流体模拟 引导     

锐真空-等离子体边界倾角对激光尾波场加速中电子注入的影响

超短超强激光脉冲在气体等离子体中激发的尾波场加速在过去40年里有了长足的发展,人们已经在厘米加速距离内获得了数GeV的准单能电子加速,激光尾波加速的最高电子能量已经达到8 GeV.为了进一步提升加速电子束的稳定性和品质,多种电子注入方式先后被提出.本文研究了基于锐真空-等离子体边界面的密度跃变注入,着重讨论了不同角度的倾斜边界面对注入电子品质的影响.二维粒子模拟研究表明,与倾角为0°的垂直边界面相比,在合适的倾斜边界角下,第二个尾波空泡内产生的注入电量可以有近三倍的提升,同时偏振方向与入射面平行的驱动激光可以增加第一个空泡内注入电子的电量.根据不同激光入射角度时尾波场中电子自注入的起始位置差异,分析了电子电量与横向振荡增强的原因.这些研究有利于提升基于Betatron运动的尾波场辐射及其应用.     

相对传播的双脉冲激光与薄膜靶作用产生的强单色谐波

研究了相对传播的双脉冲激光与薄膜靶的作用,观察到很强的谐波产生.其物理图像是:圆偏振高对比度强激光脉冲作用于薄膜靶,由光压推动产生的高密度等离子体靶向前运动,同时由于电荷分离场的作用,使得离子束和电子束在纵向上都有好的聚束,从而产生以相对论速度向前运动的等离子体镜;反向入射一个探测光到已被加速的等离子体镜上,由多普勒频移产生强的单色N次谐波,探测光脉冲被"压缩"至原来的1/N.还讨论了激光和等离子体参数对等离子体镜的运动和谐波级次的影响,以及相对论运动等离子体镜的稳定性对谐波的影响.     

激光等离子体不稳定性的入射光强度效应

用3维粒子模拟程序研究了相对论强激光和高密度等离子体相互作用引起的电磁不稳定。数值模拟表明,在线偏振强激光作用下,等离子体表面出现了电磁不稳定性。形成的不稳定结构随时间发展和激光功率密度的增加进一步深入到等离子体内部,最终使等离子体表面处激发饱和自生磁场。这种由电子速度各向异性而产生的自生磁场对激光有质动力推开电子时所形成的电子热流产生抑制作用,并将直接影响电子加速效率。     

强激光与磁化等离子体作用中有质驱动对电子的加速研究

通过利用龙格一库塔方法分析了强激光与磁化等离子体中有质驱动对电子的加速问题。研究发现在磁化等离子体中，有质驱动使得电子沿轴方向发生横向振荡，电子获得高的能量增益，而在等离子体中产生的自生磁场引起的共振进一步加速了电子，使电子能量增益进一步提高。且最终电子能量趋向一个稳定值，电子在有质驱动作用下自动喷射出来，这在实际应用中容易控制，避免了使用抽取高能电子的提取器，这为新型台式加速器的设计提供了有益的理论指导。     

飞秒强激光作用下线性等离子体层中光场和电子密度的自洽分布

自洽求解了圆偏振的飞秒强激光作用下线性等离子体层中光场和电子密度的分布.研究发现在激光有质动力的作用下，电子密度分布严重偏离离子密度分布，甚至出现了一系列的“电子岛”和“电子空腔”.由于电荷分离，等离子体内形成了很强的静电场，一部分激光能量转化为等离子体内的静电能.线性等离子体层储存静电能的大小随着入射激光强度的增加而显著上升. 关键词： 飞秒激光 相对论等离子体 电子密度 有质动力     

强场物理新进展--强激光在等离子体中加速电子的新机制

相对论强激光与等离子体相互作用中高能电子的产生机制是近年来一直被广泛重视的课题，文章扼要介绍了其中主要的几种加速机制，并特别介绍了作者最近提出的电子在对撞激光场中的随机加速机制。     

非均匀等离子体对强激光传播及电子束输运的影响

本文介绍近期针对非均匀等离子体对强激光传播和电子束输运影响取得的研究进展,首先研究弱无序分布等离子体对强激光传播的影响,提出强激光在弱无序等离子体中存在非线性分支流传输机制,并阐明光电离效应及相对论效应对分支流的重要影响。此外,研究等离子体密度梯度对相对论电子束输运过程的影响,发现相对论电子束输运所激发的静电波在空间固定点处的波数或相速度随时间变化,并且不依赖于等离子体密度的上升或下降,静电波的局域空间波数最终随时间逐渐增大,这导致在非均匀等离子体中静电波通过朗道阻尼方式将能量耗散转移给背景电子,表现为一种由背景等离子体密度梯度引起的束流能量耗散新机制。