激光驱动的毛细管等离子体尾波特性

基于激光等离子体尾波解析模型,分析了毛细管中激光与等离子体相互作用,数值计算了尾波中基本物理量。计算结果表明:毛细管等离子体尾波幅度与毛细管半径有关,在较小的毛细管中尾波幅度更大。在相同的激光与等离子体参数情况下,与无界等离子体尾波相比较,毛细管等离子体尾波中电子空泡纵向尺度、电场强度峰值、角向自生磁场强度峰值提高了60%,这些特征都表明毛细管等离子体尾波更有利于电子加速。     

强激光脉冲在部分离化等离子体中的传播特性

采用变分法给出了强激光脉冲在部分离化等离子体中传播的参数演化方程,其中考虑了相对论自聚焦、有质动力激发尾波场以及部分离化非线性极化强度的影响。通过非线性动力学分析的方法,得到了强激光脉冲以恒定焦斑半径传播时的激光、等离子体参数匹配条件。研究表明:在部分离化等离子体中,激光自聚焦随着电离程度的增大而增强;有质动力激发的尾波场进一步增强激光脉冲的自聚焦;相对于等离子体密度而言,激光强度对激光脉冲的自聚焦更有影响。     

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     

小焦斑纳秒激光烧蚀铝平面靶的数值研究

用二维辐射流体程序Flash模拟了小焦斑纳秒激光与铝平面靶的相互作用过程,其中入射激光的聚焦半径为25μm,峰值强度约为1013 W/cm2,波长为532nm。模拟发现激光通道上的等离子体出现了密度排空的现象,激光焦斑外侧出现环状的射流结构。激光通道上密度排空现象对电子热输运的计算较为敏感,对比干涉实验测量的密度分布,确定了模拟中限流因子的取值为0.08。通过考察辐射致冷与电子横向热输运对等离子体膨胀运动的影响,对环状射流结构的形成原因给出了物理解释,并在模拟上验证了辐射冷却在其形成过程中的主导作用。     

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.     

稀薄等离子体中激发尾波场的共振动条件

研究了在稀薄等离子体中强激光激发尾波场的情况，发现尾波场的激发与入射激光的脉冲宽度有共振现象。在光强很小情况下，共振所需要的入射激光脉冲宽度度为λp/2，随着光强的增大共振激光脉冲宽度减小。同时发现在稀薄等离子体中激发的尾波势场与等离子体的密度几乎无关，而激发的尾波场最大电场强度与等离子体的密度有关。     

激光等离子体尾波加速器的发展和展望

超强激光在气体等离子体中传输时可以激发出大振幅的电子等离子体尾波。激光等离子体尾波加速器是利用该尾波对带电粒子（特别是电子和正电子）进行加速的一种新型装置。由于其加速梯度相较于现有的常规加速器可以提升1000倍，为建造超紧凑型的加速器和辐射源奠定了基础，也为将来建造基于等离子体的超高能正负电子对撞机和自由电子激光装置提供了可能。对该新型加速器的原理、特点、发展历程，尤其是近十年来的主要进展和未来发展趋势及面临的主要挑战进行简要梳理和介绍。     

第一讲台面型电子加速器——激光尾波场加速器

近年来，随着超短超强激光脉冲技术的发展，利用超短超强激光在等离子体中激发出的高强度尾波场来实现电子加速的方案也取得了巨大进展．相对于传统的射频腔加速器，这种新型的加速器由于以等离子体为介质，可以突破传统加速器中加速梯度小于100MV／m的限制，其加速梯度可以达到100GV／m．电子在这样的加速场下，在厘米量级的距离内就可以获得GeV的能量．随着台面型超短超强激光器的发展，新一代实用化的台面型电子加速器有望在不远的将来得以实现．文章将从理论和实验上对激光尾波场加速中的尾波激发、电子注入、距离延长三个方面加以介绍，同时给出国内在这些方面的一些研究进展．     

毛细管放电复合X光激光机制的理论研究

 以毛细管放电泵浦产生的C等离子体中,复合机制产生类H-C离子3d_5/2-2p_3/2跃迁激光线为例,研究毛细管放电复合X光激光中的物理机制。提出在C气中掺入适量的惰气来抑制等离子体被压得过细以至密度过高;在设计实验方案时 ,应该使等离子体在电流峰值之后进入膨胀冷却阶段;还要适当降低毛细管中等离子体初始 密度以增大毛细管半径,使工艺上更容易实现。     

空气中激光等离子通道的演变和控制

为精确再现超强飞秒脉冲激光在大气中的传输特性,有效控制激光诱导等离子体通道的性能参数,基于扩展的非线性薛定谔方程,研究了空气中产生的等离子通道的演变过程。该模型在考虑衍射、色散和多光子效应的基础上,引入了拉曼散射、等离子体尾波场和相对论自聚焦等多种效应。讨论了电子密度和光强通量的空间分布特性,运用分步傅里叶法和有限差分法得到了电子密度和光强通量的分布,仿真结果显示,激光波长、单脉冲能量、脉宽和束腰半径等初始参数的变化将对等离子体通道的演变产生显著影响,为超短脉冲强激光在大气中成丝位置和形态控制提供了可能的途径。     

超短超强激光与稀薄等离子体相互作用的数值研究

用一维粒子模拟方法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ－ｉｎ－Ｃｅｌｌ）数值研究了超短超强激光（Ｉλ＾２〉１０＾１８Ｗ．μｍ＾２／ｃｍ＾２）与稀薄等离子体的相互作用过程，结果表明，超短超强激光与稀薄等相互作用后，在等离子体中激发起尾波和拉曼（Ｒａｍａｎ）波，它们的波长和频率的值与解析解符合得很好；同时在尾波的作用下，等离子体的部分电子被加速的很高的速度，甚至接近光速。     

热等离子体中的尾波加速

通过计算在等离子体温度不太高时尾波中本底等离子体的分布函数,推导出热等离子体中的尾波方程.这个方程对进一步研究如何最大限度地提高热等离子体中的尾波加速效率提供了出发点.讨论了温度对等离子体尾波加速的影响. 关键词：     

稀薄等离子体中激发尾波场的共振条件

研究了在稀薄等离子体中强激光激发尾波场的情况 ,发现尾波场的激发与入射激光的脉冲宽度有共振现象。在光强很小情况下 ,共振所需要的入射激光脉冲宽度为λp 2 ,随着光强的增大共振激光脉冲宽度减小。同时发现在稀薄等离子体中激发的尾波势场与等离子体的密度几乎无关 ,而激发的尾波场最大电场强度与等离子体的密度有关。     

强激光与等离子体相互作用产生的超强太赫兹辐射

超短强激光脉冲在等离子体中传播时会激发大振幅的等离子体尾波场，它是一种电子等离子体波．由于这是一种静电波，它一般不能转换成电磁辐射．我们发现在不均匀等离子体中激发的尾波场在一定条件下可以通过线性模式转换产生电磁辐射．由于用超短强激光脉冲尾波场可以达到的电场振幅达100GV／m，其振动频率在太赫兹（10^12Hz）附近，用这种方法可以产生电场强度达到GV／m的太赫兹辐射．     

用于激光等离子体诊断实验的二 倍频探针光系统

为了满足基准物理实验的要求 ,准确地探测出靶面的等离子体的电子温度、密度、电子离子漂移速度等参数 ,在星光 激光装置上发展了一束二倍频激光作为探针光。通过模拟实验已经证实了该探针光的二倍频总能量大于 5J,焦斑尺寸小于 1 0 0 μm,可以满足激光与等离子体相互作用的高功率要求。目前 ,该探针光系统已经用于用于激光等离子体诊断实验的常规运行。     

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。     

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。     

激光参数影响太赫兹辐射的数值模拟

 利用2维PIC程序模拟了聚焦激光脉冲垂直入射非均匀等离子体,在界面激发超强太赫兹辐射的物理过程,研究了激光强度、脉宽和焦斑半径对太赫兹辐射功率和频率的影响,并和模式转换理论作了对比。结果表明:激光强度是影响太赫兹辐射功率的主要因素;当脉宽在等离子体波长附近时,激起的静电波振幅最大,此时对应的太赫兹辐射最强;同时存在一个最优的焦斑半径,使得辐射功率最大。     

激光驱动尾波场加速电子诱导光核嬗变

提出了一种基于激光尾波场加速电子诱导光核嬗变的优化方案并开展了135Cs光核嬗变的数值模拟研究。蒙特卡罗模拟研究发现随着电子能量的增加，嬗变产额逐渐趋于饱和，单位能量电子的嬗变效率在40 MeV附近时存在峰值，半高处能量为20、120 MeV。为了提升半高处能量内的电子电量从而优化嬗变产额，使用粒子模拟程序研究了超短超强激光在气体等离子体中的传输过程。研究结果发现，随着等离子体密度的降低，尾波场加速的电子能量逐渐升高，但是电荷量逐渐减少，并且圆偏振激光加速的电子能量和电荷量均优于线偏振激光。通过调整等离子体密度和激光偏振，发现在圆偏振激光和特定等离子体密度条件下，存在嬗变产额的最优值。利用电导率等效方法对345 GHz折叠波导行波管中的电磁信号的传输损耗进行了仿真研究，考察了流通管孔径、加工粗糙度等对冷腔传输损耗的影响，流通管孔径较大或加工粗糙度较大都会导致电磁信号传输衰减严重。还模拟分析了热腔中电磁信号衰减对慢波结构净增益、带宽、最佳周期数等器件特征参数的影响，结果显示，电磁信号衰减会使得增益下降和带宽降低。     

高等离子体密度区域的光子加速现象（英文）

我们测量了激光尾波场加速实验的透射光谱.与之前实验所不同的是,我们所采用的等离子体密度偏高.透射光谱同样呈现出低密度等离子体中光子加速现象的的两个明显特征,光谱加宽和频谱分裂.为了解释该现象,我们利用粒子模拟程序作了模拟计算,计算结果同样证实了高密度等离子体中只要有尾波场激发,同样能产生光子加速现象.利用该现象,为我们优化激光尾波场加速提供了一种新的方法.