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。     

次稠密等离子体对激光与锥形靶相互作用的影响

利用三维粒子模拟程序模拟了强激光在锥形靶内的传播情况.发现锥内次稠密等离子体的存在使激光在锥顶部的最大聚焦强度有所降低，产生的相对论电子的最大能量和数目增加.激光在锥壁激发起强的电流和磁场，次稠密的存在还使锥内产生强的准静态磁场，磁场的存在使相对论电子速度分布在垂直激光传播方向上表现出各向同性. 关键词： 超强激光脉冲 锥形靶 快点火 粒子模拟     

强激光与高密度气体相互作用中电子和离子加速的数值模拟

在现有的一维粒子模拟程序的基础上发展了带光电离和碰撞电离及蒙特卡罗两体碰撞的模拟程序(1D PIC-MCC). 用此程序模拟研究了短脉冲激光与He气靶相互作用时电子和离子的加速过程. 研究表明当强激光与过临界密度的微米厚度的平面靶相互作用时，靶前表面物质将被激光脉冲前沿迅速离化；新生的电子被激光场有质动力加速成为高能电子，这些电子穿入到靶内，通过电子碰撞电离离化靶内物质；一部分高能电子穿透靶后，会在靶的后表面形成强的电荷分离场，该场迅速离化靶后表面物质，同时使得后表面离子得到加速. 部分穿透靶的超热电子将被电荷分离场重新拉回靶内，在靶的前后表面振荡. 一些振荡电子在此过程中得到电荷分离场加速，离开前表面，在前表面也形成电荷分离场，使前表面离子得到加速. 关键词： 激光等离子体 光电离和碰撞电离 电子加速 离子加速     

强激光锥型靶真空电子加速数值模拟研究

真空激光加速机制具有加速场梯度大、加速电子电量高的优点,目前制约真空加速机制研究发展的主要问题是如何产生具有一定初速度的电子并将其注入加速场。提出了一种利用强激光与锥型靶相互作用产生高能电子并实现真空加速的新方法,利用二维PIC(Particle-in-cell)粒子模拟程序对这一方法进行了研究。模拟结果显示,对于光强为1021 W/cm2量级的高斯激光脉冲,产生了能量为GeV量级、发散角约为1°的强流快电子束。此外还通过理论解析和参数模拟研究了靶半径对这种超热电子加速机制的影响。     

强激光与锥型结构靶相互作用准直电子束粒子模拟研究

利用PIC(particle-in-cell)方法模拟研究了超短强激光与锥型三明治结构靶相互作用快电子束的产生和传输,并与锥通道靶、锥丝靶和锥靶在相同激光参数下的作用结果进行了比较.研究发现强激光与锥三明治靶作用产生的快电子能被不同密度材料产生的准静态界面强磁场有效地准直传输.相对其他三种锥型结构靶,锥三明治靶能产生更多数目及更高能量的快电子,提高了激光到快电子的能量转换效率和快电子束的品质,这对快点火能量沉积是有利的.     

金锥对靶背向超热电子分布的影响

 采用20 TW啁啾脉冲放大的ps激光辐照金锥靶和平面靶,对靶背向产生的超热电子角分布和能谱进行了实验研究。结果表明:金锥对超热电子的产生具有重要的影响。与平面靶情况相比,锥形靶靶背向产生的超热电子数量增加,电子能量为2.0~2.5 MeV的超热电子数目有大幅度增长;锥形靶背向超热电子的空间发散角大于平面靶,这是由于啁啾脉冲放大激光所固有的较高脉冲前沿产生的预等离子体造成的影响。     

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.     

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.     

通道靶对超强激光加速质子束的聚焦效应

发散角过大是制约超强激光与固体靶相互作用加速产生高能质子束应用的一个重大物理难题.本文提出了一种结构化的通道靶型,与超强激光相互作用可提高质子束的发散特性,通道壁上产生的横向电荷分离静电场可对质子有效聚焦.采用二维particle-in-cell粒子模拟程序对激光通道靶相互作用过程进行了研究,分析了加速质子束的性能特点.模拟结果表明,与传统平面靶相比,通道靶可以在不过多损失能量的情况下产生具有更好准直性的质子束,尤其当通道靶的直径与激光焦斑尺寸和质子源尺寸相当时,横向静电场能够有效聚焦质子束,并且可保证相对较高的激光能量利用率.     

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     

Laser‐Triggered Proton Acceleration From Micro‐Structured thin Targets

By using relativistic massively parallel PIC code MANDOR, which features arbitrary target design including 3D micro‐structuring, a study of ion acceleration in short laser pulse interaction with different thin targets has been performed. Based on 3D simulation results it has been shown that micro‐structures on the front surface of thin plane targets increase a number and energy of hot electrons in comparison with that for the case of pure plain foils of optimal thickness. As a result, the energy of accelerated ions also increases up to 50%. However, the efficiency of ion acceleration from structured target reduces with laser pulse intensity increase, so that for laser pulses of ultra‐relativistic intensity a positive role of surface micro‐structuring diminishes. We have also studied to which extent a sub‐ps imperfection of the laser pulse shape, which smoothes the surface micro‐structures suppresses high‐energy ion generation. (© 2013 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

激光入射角对靶面方向超热电子发射的影响

实验研究了超短超强激光脉冲与薄膜靶相互作用中产生的超热电子角分布随激光入射角的变化.在靶面方向观测到一束方向性很好的高能超热电子.该高能超热电子束的电子数目随着激光入射角的增大而增大.对结果的分析表明，表面准静态磁场是导致表面电子产生的主要原因. 关键词： 超热电子 表面准静态磁场 超强激光脉冲与等离子体相互作用     

强激光与双锥靶作用加速准单能质子束

提出了一种新型的双锥靶结构用于准单能质子束加速。利用二维PIC粒子模拟程序研究了强激光与双锥靶作用加速产生质子束的物理过程以及质子束品质。双锥靶产生的质子束在峰值能量和发散角度等方面都明显优于相同激光条件下单锥靶和平面靶的结果。尤其与平面靶相比,双锥靶质子束的峰值能量提高了5倍以上,而且很好地保持准单能性。一方面双锥靶的内锥部分是临界密度材料,提高了激光的吸收效率;另一方面双锥靶内形成了更强的准静态磁场,可以约束引导更多的超热电子传输过锥尖,进而增强加速质子束的鞘层电场。     

超热电子的产生与输运背向辐射的实验研究

报道了在100TW fs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：超热电子能谱呈单温类-麦克斯韦分布,拟合的温度为107keV;光学渡越辐射(OTR)测量结果显示：OTR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。     

飞秒激光固体靶相互作用中超热电子的输运特性

 实验研究了在100 TW掺钛宝石超短超强脉冲激光装置上完成的飞秒激光-固体靶相互作用中超热电子的输运特性,获得了超热电子的能谱、产额、注量及超热电子在靶内输运能量沉积范围。测量结果表明:超热电子的注量和总能量随靶厚度的增加而减少,超热电子约80％的能量主要沉积在靶内的前约一个激光脉冲宽度的范围内,且能量沉积范围随激光脉冲宽度的增加而增加,这主要是静电场的影响所致。     

超热电子的产生与输运背向辐射的实验研究

报道了在100TW fs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:超热电子能谱呈单温类-麦克斯韦分布,拟合的温度为107 keV;光学渡越辐射(OTR)测量结果显示:OTR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.     

超短超强激光与固体靶相互作用中超热电子的角分布

 用3TW超短超强激光器进行了激光与固体靶相互作用实验。采用电子角分布仪和LiF热释光探测器探测了超热电子的角分布。测量结果显示：能量较高的电子发射的定向性好于能量较低的电子；能量较低的电子呈溅射状发射；能量较高的电子发射出现两个尖锐的发射峰，其中，激光反射方向的超热电子发射峰则由反射激光、有质动力径向分量、侧向拉曼散射等加速机制共同作用的结果，靠近靶法线方向的超热电子发射峰是由其振吸收机制产生，且理论预言与实验结果相吻合。     

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。