强激光与亚临界密度等离子体相互作用中的近前向散射驱动光子加速机制

通过二维粒子模拟(particle-in-cell)方法研究了强激光与亚临界密度等离子体相互作用中的近前向光子加速机制.该机制利用强激光在亚临界密度气体传输过程中的电离效应产生在纵向和横向上密度分布不均匀的电子等离子体.在纵向上,入射激光电离氦气产生一个陡峭的电子密度前沿分布.在密度前沿处,入射激光与电子等离子体波作用发生近前向散射.散射光频率较激光频率增大,在频谱中产生了第一个特征峰.在横向上,密度不均匀造成电子等离子体波具有不同的相速度并与入射激光相互作用,使入射激光发生近前向散射,在频谱中产生了第2个特征峰.由于密度分布的不均匀性较电子等离子体波的密度扰动大得多,因此基于微扰理论的散射模型和色散关系,如受激拉曼散射,无法解释频谱中两个特征峰的出现.进一步研究发现:在密度不均匀的情况下,入射激光、电子等离子体波和散射光三者之间仍满足动量和能量守恒的三波耦合关系.这能够解释两个特征峰对应的频率和强度增长过程.该研究对于强激光在亚临界密度气体传输过程中的频谱演化具有重要参考意义.     

极强激光场驱动超亮伽马辐射和正负电子对产生的研究进展

高功率超短超强激光脉冲的诞生开启了相对论非线性光学、高强场物理、新型激光聚变、实验室天体物理等前沿领域.近年来,随着数拍瓦级乃至更高峰值功率激光装置的建成,超强激光与等离子体相互作用进入到一个全新的高强场范畴.这种极强激光场与等离子体相互作用蕴含着丰富的物理过程,除了经典的波与粒子作用、相对论效应、有质动力效应等非线性物理过程外,量子电动力学(QED)效应变得格外重要,例如辐射阻尼效应、正负电子对产生、强伽马射线辐射、QED级联、真空极化等.本文主要介绍我们近年来在极端强激光场与等离子体相互作用中激发的QED效应以及伴随的超亮强伽马射线辐射和稠密正负电子对产生等方面的研究进展.     

Electron Dynamics and Characteristics of Attosecond Electromagnetic Emissions in Relativistic Laser-Plasma Interactions

Generation of attosecond electromagnetic(EM) pulses and the associated electron dynamics are studied using particle-in-cell simulations of relativistic laser pulses interacting with over-dense plasma foil targets. The interaction process is found to be so complicated even in the situation of utilizing driving laser pulses of only one cycle. Two electron bunches closely involved in the laser-driven wavebreaking process contribute to attosecond EM pulses through the coherent synchrotron emission process whose spectra are found to follow an exponential decay rule. Detailed investigations of electron dynamics indicate that the early part of the reflected EM emission is the high-harmonics produced through the relativistic oscillating mirror mechanism. High harmonics are also found to be generated through the Bremsstrahlung radiation by one electron bunch that participates in the wavebreaking process and decelerates when it experiences the local wavebreaking-generated high electrostatic field in the moving direction.     

Studies on the mechanisms of powerful terahertz radiations from laser plasmas

A survey on the mechanisms of powerful terahertz (THz) radiation from laser plasmas is presented.Firstly,an analytical model is described,showing that a transverse net current formed in a plasma can be converted into THz radiations at the plasma oscillation frequency.This theory is applied to explain THz generation in a gas driven by two-color laser pulses.It is also applied to THz generation in a tenuous plasma driven by a chirped laser pulse,a few-cycle laser pulse,a DC/AC bias electric field.These are well verified by particle-in-cell simulations,demonstrating that THz radiations produced in these approaches are nearly single-cycles and linear polarized.In the chirped laser scheme and the few-cycle laser scheme,THz radiations with the peak field strength of tens of MV/cm and the peak power of gigawatt can be achieved with the incident laser intensity less than 10 17 W/cm 2.     

高密度平面靶等离子体中激光驱动冲击波加速离子的能谱展宽

本文对超短超强激光脉冲辐照高密度等离子体产生的静电冲击波加速离子的能谱展宽机理进行了数值研究.着重讨论了三种冲击波加速离子的能谱展宽机理:能量沉积到离子中使得冲击波前沿不断减速,被加速离子与背景粒子的碰撞,以及高能离子到达靶背面时受到鞘层场进一步加速.还研究了驱动激光脉冲宽度对冲击波加速离子能谱宽度的影响. 关键词： 激光等离子体 冲击波加速 能谱展宽     

强激光与固体靶作用产生的表面电子加速和辐射研究

利用单电子在固体靶表面准静态电磁场中运动的模型和非线性汤姆孙散射理论，研究了以大角度斜入射的强激光照射在固体靶表面产生的沿靶面方向发射的高能超热电子的运动及其产生的电磁辐射脉冲. 数值模拟表明，靶表面的电子在靶面附近的准静态电磁场和反射的激光场中作振荡. 当电子振荡频率接近激光频率时，电子被有效加速，被加速的电子主要沿靶面方向运动并产生向前的阿秒脉冲辐射. 讨论了电子在加速前的不同初始速度分布对辐射脉冲的时间和空间特性的影响，模拟了不同初始状态的多电子相干辐射脉冲的频谱特性. 关键词： 表面准静态电磁场 超热电子 阿秒脉冲 相干辐射     

面向激光等离子体尾波加速的毛细管放电实验研究

具有合适径向密度分布的等离子体通道可以用于超短超强激光导引,这使得等离子体通道在激光尾波加速中有着重要的应用.本文介绍了在上海交通大学激光等离子体实验室开展的毛细管放电和光导引实验.通过光谱展宽法测量了充氦气的放电毛细管中的等离子体密度分布,在长度为3 cm、内径为300μm的毛细管中实现了轴向均匀,径向呈抛物线型的等离子体密度分布.通过改变放电延时和喷气时长,确定和优化了产生等离子体通道的参数区间,得到的最大通道深度为28μm,与实验中使用的激光焦斑半径匹配.在此基础之上,开展了不同能量的激光脉冲在放电等离子体通道中的导引研究,结果发现当通道深度与焦斑半径匹配时,激光可以不散焦地在通道中传输,实现激光导引.这项研究为未来的激光尾波级联加速和锁相加速等研究奠定了基础.     

激光脉冲诱导的等离子体密度调制及其产生的相位反射

理论研究和数值模拟发现入射光和反射光在低密度等离子体中形成的干涉场可以产生深度的等离子体密度调制. 对于中等强度的入射光，譬如10¹⁵W／cm² ，产生密度调制的时间尺度在几十个光周期的范围. 这样的等离子体密度调制可以起类似布拉格反射镜的 作用，使得后面的入射光在临界面以下的区域产生相位反射. 因为密度调制的周期是光在等 离子体中波长的一半，其产生的反射率可以接近100％. 相位反射也可以在不均匀的低密度 等离子体中产生，它可以极大地减少等离子体对光的吸收，因此在惯性约束核聚变中需要考 虑到它的影响. 关键词： 相位反射 密度调制 激光等离子体 粒子模拟     

超短脉冲强激光与固体靶作用产生的高次谐波红移

用一维粒子模拟程序研究了超短脉冲强激光与超临界密度等离子体平板作用产生的高次谐波。分析了振荡镜面模型所不能解释的伴随高次谐波出现的频率红移现象。通常激光与固体靶作用中的高次谐波是由于激光从振荡靶面的反射产生的.除此之外，相对论光强的激光与固体靶作用还应考虑光压对靶的烧蚀推进作用，这时激光相当于从一个移动的振荡靶面反射，所以产生了带有红移的高次谐波. 关键词： 红移 超短脉冲强激光 高次谐波 粒子模拟     

Effects of laser intensity on the emission direction of fast electrons in laser-solid interactions

The dependence of emission direction of fast electrons on the laser intensity has been investigated. The experimental results show that, at nonrelativistic laser intensities, the emission of fast electrons is mainly in the polarization plane. With the increase of the laser intensity, fast electrons emit towards the laser propagation direction from laser polarization direction. At relativistic laser intensities, fast electrons move away from the laser polarization plane, closely to the reflection direction of the incident laser beam.