超强飞秒激光与固体靶产生的超热电子加热机制

 在SILEX-1激光器上测量了超强飞秒激光与Ta靶相互作用产生的出射超热电子能谱及角分布，研究了出射超热电子加热机制。激光脉宽为 30 fs，激光功率密度为8.5×10¹⁸ W/cm²。靶前法线方向超热电子温度为550 keV。从实验结果可知：共振吸收是靶前法线方向超热电子主要加热机制，这与靶前存在大密度标长预等离子体的实验条件吻合。靶厚为6～50 μm时，靶后超热电子沿法线方向出射；靶厚为2 mm时，该发射峰消失。     

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。     

Laser-induced Alignment and Coulomb Explosion of CO2

实验研究了CO₂分子在飞秒强激光脉冲作用下的动力学过程,包括分子取向,隧穿电离和库仑爆炸,激光强度从1×10¹³W/cm²变化到6×10¹⁴W/cm². 当激光强度小于分子的电离阈值时,CO₂分子的非绝热转动激发形成一个相干转动波包,波包演化导致分子沿激光电场方向取向. 激光脉冲结束后,分子取向可以周期性地再现,利用另一束激光可以对取向结构进一步进行修饰. 当激光强度大于分子     

飞秒激光与固体靶相互作用中自生磁场的测量

 利用OMA光学多道分析谱仪，分别在激光镜反方向和接近靶面法线方向测量了2倍频谐波的精细结构。在激光功率密度为5×10¹⁷ W/cm²的条件下，通过散射光2倍频谐波谱的精细结构，回推出激光与等离子体相互作用中产生的自生磁场达100T量级。     

等离子体屏蔽和稀疏波对冲量耦合系数的影响

 利用脉冲Nd:YAG激光作用在铝、铜靶上，研究了不同入射激光能量下冲量耦合系数和离焦量之间的关系，以及不同功率密度情况下冲量耦合系数和光斑直径的关系。实验表明铝靶在入射激光脉冲能量由75.8 mJ增加到382.3 mJ时，冲量耦合系数峰值对应的最佳离焦量由－10 mm处远离焦点向透镜方向移到－18 mm，而对应的激光功率密度仅由2.0×10⁹ W/cm²增加到3.9×10⁹ W/cm²；铜靶实验规律和铝靶类似。等离子体屏蔽的吸收作用导致了冲量耦合系数达到最大值后迅速降低。铝靶在入射激光功率密度由0.7×10⁹ W/cm²增大到1.0×10¹⁰W/cm²时，冲量耦合系数随光斑直径增大而增大，对应变化斜率由5.2×10^-5N·s/（mm·J）增大到49.2×10^-5N·s/（mm·J），表明了稀疏波对冲量耦合系数的削弱作用随入射激光功率密度增加而增加，随光斑直径增大而减小。     

超短超强激光与Cu靶相互作用中质子背向发射的实验测量

 在20TW激光器上进行了超短超强激光与金属Cu膜靶的相互作用实验，当靶厚度不同时，采用CR39核径迹探测器测量了质子发射的空间分布和产额；使用Thomson磁谱仪测量了靶背法线方向质子束的能量分布。测量结果表明：质子产额为10 ⁵～10 ⁶每发；质子束沿靶背法线方向发射，与入射激光方向无关，并且存在较小的发射立体角，在一定能量处出现截止，截止能量的大小与靶厚度有关。     

超短脉冲强激光与固体靶相互作用中Kα射线的实验研究

在相对论激光强度下，对p偏振30 fs激光与固体Cu靶相互作用中产生的Kα射线进行了实验研究.采用刀边成像技术和单光子计数X射线CCD相结合的探测装置，在单发激光脉冲打靶时同时得到X射线源的尺寸、能谱以及Kα光子的转换效率等多种信息.实验结果与Reich等人的理论计算结果有明显的差异，Kα光子的能量转换效率在激光功率密度为1.6×10¹⁸W/cm²的条件下达到最大值7.08×10^-6/sr.根据这一结果并结合蒙特卡罗程序，推断出在这一聚焦光强下激光能量转换为前向超热电子的效率约为10%.     

fs激光在靶背表面产生的质子束成丝

 介绍了利用3TW/60fs钛宝石超短超强激光与20μm铜薄膜靶相互作用的实验。实验观测到质子束的角分布随激光功率密度有所变化。在较高的功率密度（～1×10¹⁸ W/cm²）时，观测到环状的质子束分布，发散角较大。在较低的激光功率密度（～2×10¹⁷ W/cm²）时，质子束发散角减小，质子束出现成丝现象。质子束的角分布实际上反映了从靶前输运到靶背的超热电子电流横向分布。在输运过程中，由于Weibel不稳定性会使超热电子电流出现空心化并最后破裂成丝。     

488 nm连续激光晶化本征非晶硅薄膜的喇曼光谱研究

利用等离子增强化学气相沉积系统制备了本征非晶硅薄膜,并选用488 nm波长的连续激光进行晶化.采用喇曼测试技术对本征非晶硅薄膜在不同激光功率密度和扫描时间下的晶化状态进行了表征,并用514 nm波长与488 nm波长对样品的晶化效果进行了比较.测试结果显示:激光照射时间60 s, 激光功率密度在1.57×10⁵ W/cm²时,能实现非晶硅向多晶硅的转变,在功率密度达到2.7 56×10⁵ W/cm²时,有非晶开始向单晶转变,随着激光功率密度的继续增加,晶化结果仍为单晶;在功率密度为2.362×10⁵ W/cm²下,60 s照射时间晶化效果较好;在功率密度为2.756×10⁵ W/cm²和照射时间为60 s的条件下,用488 nm波长比514 nm波长的激光晶化本征非晶硅薄膜效果较好,并均为单晶态.     

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。     

超热电子的产生与输运背向辐射的测量

报道了在20TWfs激光器上采用电子磁谱仪和光学CCD积分成像相机分别对激光固体靶相互作用在靶背方向产生的超热电子能谱及其光学渡越辐射进行的测量。能谱测量结果显示:超热电子能谱呈双温类麦克斯韦分布,拟合的温度分别为90和280keV,平均温度为185keV,这与已知的温度定标率较好地吻合。光学渡越辐射测量结果显示:光学渡越辐射是由于超热电子输运穿越固体靶所致,而辐射区域呈圆盘状、有发散角、有光强分布。如果考虑超热电子的产生和加热机制,则占主导地位的加热机制是共振吸收对电子的加热。     

超强激光与固体气体复合靶作用产生高能氦离子

激光氦离子源产生的MeV能量的氦离子因有望用于聚变反应堆材料辐照损伤的模拟研究而得到关注.目前激光驱动氦离子源的主要方案是采用相对论激光与氦气射流作用加速高能氦离子,但这种方案在实验上难以产生具有前向性和准单能性、数MeV能量、高产额的氦离子束,而这些氦离子束特性是材料辐照损伤研究中十分关注的.不同于上述激光氦离子产生方法,我们提出了一种利用超强激光与固体-气体复合靶作用产生氦离子的新方法.利用这种方法,在实验上,采用功率密度5×10~(18)W/cm~2的皮秒脉宽的激光脉冲与铜-氦气复合靶作用,产生了前向发射的2.7 MeV的准单能氦离子束,能量超过0.5 MeV的氦离子产额约为10~(13)/sr.二维粒子模拟显示,氦离子在靶背鞘场加速和类无碰撞冲击波加速两种加速机理共同作用下得到加速.同时粒子模拟还显示氦离子截止能量与超热电子温度成正比.     

Cold electrons acceleration in TNSA laser-generated plasma using a low-contrast fs laser

The fs laser facility in Bordeaux, delivering an intensity of 10¹⁸ W/cm² at normal incidence on thin foils, has been used to induce forward electron and ion acceleration in target-normal-sheath-acceleration (TNSA) regime. Micrometric thin foils with different composition, thickness, and electron density, were prepared to promote the charge particle acceleration in the forward direction. The plasma electron and ion emission monitoring were performed on-line using SiC semiconductor detectors in time-of-flight (TOF) configuration and gaf-chromics films both covered by thin absorber filters. The experiment has permitted to accelerate electrons and protons. A special attention was placed to detect relativistic hot electrons escaping from the plasma and cold electrons returning to the target position. The electron energies of the order of 100 keV and of about 1 keV were detected as representative of hot and cold electrons, respectively. A high cold electron contribution was measured using low-contrast fs laser, while it is less evident using high-contrast fs lasers. The charge particle acceleration depends on the laser parameters, irradiation conditions, and target properties, as will be presented and discussed.     

Characterization of relativistic electrons generated by a cone guiding laser pulse

We demonstrated the interaction of a gold cone target with a femto second(fs) laser pulse above the relativistic intensity of 1.37×10 18 μm 2 W/cm 2.Relativistic electrons with energy above 2 MeV were observed.A 25%-40% increase of the electron temperature is achieved compared to the case when a plane gold target is used.The electron temperature increase results from the guiding of the laser beam at the tip and the intense quasistatic magnetic field in the cone geometry.The behavior of the relativistic electrons is verified in our 2D-PIC simulations.     

飞秒激光-固体靶相互作用中超热电子能量分布的实验研究

用3TW飞秒激光器研究了激光-固体靶相互作用中产生的超热电子的能量分布.超热电子构成各向异性的能量分布：在靶法线方向，超热电子能谱呈类麦克斯韦分布，拟合的温度约为206keV，该方向占主导地位的加速机理是共振吸收；在激光反射方向，超热电子能谱先是出现一个局部的平台，然后逐渐衰减，呈现非类麦克斯韦分布，这是由于几种加热机理共同作用的结果，其中占主导地位的是反射激光对电子的加速.在靶法线方向超热电子的温度和产额均大于激光反射方向超热电子的温度和产额，证明共振吸收机理对电子的加速更有效. 关键词： 飞秒激光 等离子体 超热电子 能谱     

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.     

利用轫致辐射谱回推超热电子温度

超短超强激光打靶产生的超热电子与固体靶相互作用时会产生轫致辐射X射线。利用蒙特卡罗方法,对电子在固体靶中传输产生的轫致辐射X射线进行了模拟。1 MeV电子束与固体靶作用产生的轫致辐射谱模拟结果表明,轫致辐射谱高能段斜率受靶厚度及靶材料的影响不明显。麦克斯韦分布的电子束及单能电子束与30 m铜靶作用的模拟结果显示,两种电子源产生的轫致辐射谱在电子束能量或温度较高时基本一致。给出了一种利用轫致辐射谱斜率反推超热电子温度的定标方法。模拟了不同温度下超热电子产生的轫致辐射光子的能量角分布及光子数角分布,结果显示辐射光子能量通量和光子数随着电子温度的提高越来越向前倾,并给出了另外一种由轫致辐射能量角分布反推超热电子温度的定标关系。     

Effects of atomic number Z on the energy distribution of hot electrons generated by femtosecond laser interaction with metallic targets

The effects of atomic number Z on the energy distribution of hot electrons generated by the interaction of 60fs, 130mJ, 800nm, and 7×10^17W/cm^2 laser pulses with metallic targets have been studied experimentally. The results show that the number and the effective temperature of hot electrons increase with the atomic number Z of metallic targets, and the temperature of hot electrons are in the range of 190-230keV, which is consistent with a scaling law of hot electrons temperature.