超短强激光脉冲驱动等离子体波加速电子方案

随着超短脉冲激光技术的发展, 人们可以在台面尺度获得光强超过10¹⁸W/cm²、脉宽小于100fs的超短脉冲激光.超短脉冲激光很容易把静止的电子加速到兆电子伏的能量. 而更重要的是超短激光脉冲可以通过其有质动力激发大振幅的等离子体波(称为激光尾波场), 后者可以在毫米空间尺度把电子加速到上百兆电子伏的能量.文章将介绍激光尾波场加速电子的物理机制和方案、这个领域的最新进展、以及目前存在的问题.     

超强激光与Ar团簇相互作用中X射线的研究

本文主要研究了超强超短激光与Ar团簇相互作用过程中X射线能谱、K壳层光子产额、能量转换效率以及激光对比度对X射线光子产额的影响.实验中得到K壳层的光子产额约为1× 10¹¹/发,能量转换效率约为2.8× 10^-5．同时观测到较强预脉冲离化团簇会导致预电离,产生膨胀等离子体,然而主脉冲与膨胀的等离子体相互作用的强度较未膨胀时降低了,从而导致K壳层光子产额降低,而使用高对比度的激光能增加X射线光子产额.     

有质动力对超短脉冲激光与固体等离子体相互作用的影响

 通过测量由等离子体临界面移动造成的反射激光的频移，研究了有质动力对超短脉冲激光与固体等离子体相互作用的影响。实验表明，当激光强度达到10¹⁷ W/cm²时，有质动力将明显地降低等离子体热膨胀速度，造成极陡的密度分布，使得等离子体中的主导吸收机制，由共振吸收转换为真空吸收。     

强激光等离子体耦合效应的数值模拟

 研究了高强度（10¹²(10^{14W/cm2）,纳秒脉冲(高斯型)激光与AI、 CH等离子体的耦合效应。采用一维双温、单流体力学方程组,数值模拟研究激光强度和波长对靶表面能量沉积和对等离子体特征参数的影响。激光等离子体耦合的主要机制有:轫致辐射、逆轫致辐射吸收、热扩散和电子、离子之间碰撞能量交换。给出了电子最高温度与光强的近似定量关系。}     

超短超强激光导引及对电子加速的影响

使用粒子模拟程序对30 fs超短超强激光在均匀与抛物型两种密度分布等离子体中的传输, 以及在稳定传输状态下尾场的电子注入与加速形成的电子能谱进行了模拟与分析. 固定入射激光束斑尺寸, 在(0.4-2)×10¹⁹/cm³等离子体密度范围, 对比分析了归一化峰值强度从1-6范围的激光脉冲在上述两种密度分布等离子 体中传输时激光束斑尺寸的演化, 结果表明抛物型分布的等离子体密度通道能够对超短超强脉冲实现良好的导引, 有利于高能电子加速. 对于较高密度情况,即使在均匀等离子体中依靠相对论自聚 焦等机制也可以实现良好的自导引传输,有利于实验简化以及产生更大电量的加速电子.     

超短超强激光与薄膜靶作用的光学光谱

 在SILEX-Ⅰ超短超强激光装置上,研究了30 fs,1.0×10¹⁹ W/cm²超短超强激光脉冲与薄膜靶作用产生的发射光谱。对于3 μm厚的铜靶,在激光沿靶面的镜面反射方向观测到二倍频和3/2倍频光谱,且都发生了红移。由红移量推测出等离子体反射面的后退速度约为2.6×10⁸ cm/s。对于200 nm厚CH靶,沿激光传播方向观察到超连续光谱,光谱波长范围从约300 nm延伸至约940 nm。利用MULTI-1D流体程序,模拟了超强激光的预脉冲与薄膜靶相互作用过程,结果表明,预脉冲对预等离子体的密度分布有显著影响,是导致实验观测光谱差异的原因。     

紫外超短脉冲激光辐照固体靶产生硬X射线研究

 实验研究了紫外高强度超短脉冲激光(248nm, 440fs, 50mJ)辐照固体靶时产生的硬X-射线(>30 keV)能量连续谱，靶上强度达到10¹⁷ W/cm²。P极化光45°照射5mm铜片，实验探测到了能量大于200keV的X射线信号，利用Maxwellian分布拟合能谱得到了的超热电子温度为67keV。     

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。     

用光学参量啁啾脉冲放大技术产生TW级激光脉冲系统的最优化设计

用数值模拟的方法,给出了一种适合以纳秒级的高功率钕玻璃激光系统为抽运源的光学参量啁啾脉冲放大(OPCPA)系统的最优化设计.该系统主要由一级LBO预放大器和一级LBO主放大器组成.数值模拟结果表明该系统能够把纳焦级能量的飞秒脉冲放大到焦级,从而产生几十个太瓦(10¹²W)的脉冲输出.这一结果为进一步利用OPCPA技术放大飞秒脉冲产生拍瓦(10¹⁵W)的超短超强激光脉冲输出奠定了基础,从而为强场科学研究提供崭新的技术手段.     

飞秒激光-薄膜靶相互作用中超热电子产额和激光转化效率

 在激光能量130 mJ（靶面），脉宽60 fs，波长800 nm，对比度1∶10^-6，激光与靶法线成45°夹角，P偏振，靶面激光峰值功率密度约为7.0×10¹⁷ W·cm^-2，无预脉冲的条件下，采用电子谱仪与经γ标准源标定的LiF热释光探测器（TLD）相配合，测量了飞秒激光-薄膜靶相互作用中产生的超热电子能谱。根据所测的能谱，推算出超热电子的产额和激光能量转化为超热电子能量的效率，在靶法线方向分别为1.19×10¹⁰/sr和4.55%/sr，在激光反射方向分别为1.83×10⁹/sr和0.76%/sr。结果显示，不同方向的超热电子产额和激光转化效率有所不同，原因在于激光-等离子体相互作用产生的超热电子构成各向异性的分布。     

强激光在窄通道中传播的理论研究

在考虑相对论和有质动力非线性以及全局电量守衡的前提下,分析了强激光在冷等离子体窄通道中稳定传播的情况。采用较为简化的二维理论模型,给出了描述激光和通道横向结构的解,对不同通道宽度、通道密度、激光强度和电磁模式等进行了讨论,分析了其对激光在等离子体通道中传播的影响。分析发现,在存在预通道的情况下,当等离子体通道的密度大于临界密度很多时(例如20倍临界密度),即使是在激光波长量级的通道中,激光仍然可以传播。通道越宽,等离子体密度越小;激光强度越大越容易传播。在同样的通道和传输情况下,TE0模传输所需要的激光强度比TE1模要小。     

空气中激光等离子体通道的荧光探测和声学诊断两种方法的比较实验研究

使用荧光探测和声学诊断两种方法，对超强飞秒激光脉冲在空气中传输形成的等离子体通道同时进行了测量.两种方法都很好地反映了等离子体通道的演化过程.对两种方法的比较研究发现，声学诊断相对于荧光探测方法来说，具有较高的灵敏度和空间分辨能力，实验装置也更简单，更适宜于等离子体通道的常规测量. 关键词： 强飞秒激光等离子体通道 荧光探测 声学诊断     

飞秒强激光脉冲在等离子体中的自压缩

文章从激光等离子体相互作用的非线性薛定谔方程出发,理论研究了飞秒强激光脉冲在等离子体中的自压缩行为.结果表明在一定范围内随着激光脉冲宽度、激光强度的增大以及等离子体密度的减小,飞秒强激光脉冲在等离子体中传播的自压缩现象越明显.另外通过适当设定参量得到了近似稳定传播的基孤子.     

Allowable propagation of short pulse laser beam in a plasma channel and electromagnetic solitary waves

Nonparaxial and nonlinear propagation of a short intense laser beam in a parabolic plasma channel is analyzed by means of the variational method and nonlinear dynamics. The beam propagation properties are classified by five kinds of behaviors. In particularly, the electromagnetic solitary wave for finite pulse laser is found beside the other four propagation cases including beam periodically oscillating with defocussing and focusing amplitude, constant spot size, beam catastrophic focusing. It is also found that the laser pulse can be allowed to propagate in the plasma channel only when a certain relation for laser parameters and plasma channel parameters is satisfied. For the solitary wave, it may provide an effective way to obtain ultra-short laser pulse.     

空气中激光等离子体通道导电性能的研究

超强飞秒激光在大气中传输时，可以形成很长的等离子体通道.对通道电阻率和测量电极与等离子体通道间的接触电阻进行了测量，并对影响等离子体通道电阻率的主要因素进行了研究分析.提出减小等离子体通道电阻的方案. 关键词： 等离子体通道 电阻率 接触电阻     

空气中单个激光等离子体通道的形成条件

利用皮秒和飞秒激光研究了激光在空气中聚焦产生单个等离子体通道的条件.研究发现，能量为8—12mJ皮秒激光被焦距为15cm的透镜聚焦后，可以产生较为稳定的单个通道.通过横向纵向阴影成像分析发现，通道的管壁对聚焦产生的自发光具有箍缩作用，而通道内部却有利于光的传输.同时还发现，当采用短焦距透镜时，能量低于10mJ的飞秒激光在空气中较易形成单个等离子通道. 关键词： 等离子体通道 皮秒激光 飞秒激光 阴影成像     

等离子体通道的声学诊断方法

超短脉冲强激光在空气中传输可以形成很长的等离子体通道，目前对这种等离子体通道有许多诊断方法，文章介绍了一种十分简易但很有效的方法——声学测量方法．该方法可以根据通道不同位置的声音信号，测量通道的长度和通道内电子密度等一些参数，具有其他传统诊断方法无可比拟的优越性．     

超短脉冲强激光在空气中的传输

超短脉冲强激光在空气中传输时由于非线性克尔自聚焦效应会使激光光束聚焦，造成空气的离化而形成等离子体，等离子体对激光光束又会产生散焦作用，这两种过程的动态平衡可以形成很长的等离子体通道，从而产生一系列复杂而有趣的现象．文章对通道形成的机理、锥角辐射、超连续谱和三次谐波的产生进行了阐述，并介绍了目前等离子体通道形成的几种理论模型．文章还对通道内的各种复合和辐射机制进行了分析．     

用声学诊断方法测量激光等离子体通道的长度与电子密度

用声学诊断方法对超短脉冲强激光在空气中传输形成的等离子体通道进行了测量，根据通道不同位置的声音信号，得到了通道的长度和通道内电子密度等信息. 关键词： 声学测量 等离子体通道     

Stable laser-pulse propagation in plasma channels for GeV electron acceleration

To achieve multi-GeV electron energies in the laser wakefield accelerator (LWFA) it is necessary to propagate an intense laser pulse long distances in plasma without disruption. A 3D envelope equation for a laser pulse in a tapered plasma channel is derived, which includes wakefields and relativistic and nonparaxial effects, such as finite pulse length and group velocity dispersion. It is shown that electron energies of approximately GeV in a plasma-channel LWFA can be achieved by using short pulses where the forward Raman and modulation nonlinearities tend to cancel. Further energy gain can be achieved by tapering the plasma density to reduce electron dephasing.