激光-等离子体加速器研究综述

综述了有关激光尾场加速器、等离子体拍频波加速器、多束激光脉冲驱动的尾场加速器以及自调制激光尾场加速器的概念及其基本特性,概述了近期的实验结果。介绍了等离子体波的产生机理及等离子体波中电子的俘获和加速,并讨论了存在于激光等离子体加速器中的一些限制和今后发展前景。     

激光等离子体波电子加速器

本文分别用理论分析和粒子模拟方法讨论了等离子体尾波加速器和拍波加速器的物理机制。结果表明,只要激光等离子体波足够强,加上适当强度的横向磁场,就可以把MeV数量级的电子在公尺距离内加速到GeV数量级的能量。另外,还用粒子模拟方法,研究了激光对热等离子体受激向后喇曼散射产生低相速度的等离子体静电波对低能电子加速的问题,探讨了多级或多波加速的可能性。结果表明,利用激光等离子体波加速器,在一般的实验室条件下,就可获得GeV数量级的高能电子。 关键词：     

等离子体尾场加速器中静电波特性

本文在线性近似下求得了等离子体尾场加速器中静电波的频率特征与增长率,对尾场形成机制作了物理解释。     

双频强激光与等离子体相互作用中的双稳态效应

本文详细研究了双频激光驱动的朗缪尔(Langmuir)波所呈现的双稳态效应。完全相对论性地导出了郎缪尔波振幅和位相的演变方程,分别研究了朗缪尔波饱和振幅和稳态振幅对等离子体频率和泵浦光强的双稳态响应,并讨论了滞后效应在激光等离子体拍频加速器中的应用。此外,还研究了在双稳态临界点附近朗缪尔波振幅随时间的变化特性。 关键词：     

超短脉冲强激光与等离子体的非线性相互作用

超短脉冲强光与等离子体相互作用是近年来令人注目的一个前沿领域。介绍了其中的超短脉冲强激光与非稠密等离子体作用中的激光尾波场与尾波场加速器、光脉冲频率上转换与脉宽正缩、相对论光导等重要研究课题。还介绍了超短脉冲强激光与固体靶作用听吸收机制，短标尺长等离子体产生、能量输运等有关问题的研究。     

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．     

核物理与等离子体物理学科研究进展

1 理论物理 1．1 等离子体物理 深入开展了激光等离子体相互作用理论研究。为了模拟和研究激光与大尺度黑腔等离子体相互作用问题，分析了激光入射场、散射波场和离子声波的传播的耦合关系，考虑动力学效应，提出了描述自聚焦、受激散射非线性演化的耦合模型，完成流体程序的物理方案；研究了SRS时空演化机制，发现一些新物理现象；对超强激光与超高密度等离子体作用问题进行模拟，研究了高能电子、单能离子产生的新特征。     

等离子体拍频波加速器中三波相互作用的时间发展

计算了等离子体拍频波加速器中双频抽运光与Langmuir波的相互作用及其时间发展。指出Langmuir波出生成到饱和的过程,与三波位相由匹配到失配密切相关。三波位相差作为描写三波耦合程度的量对于双频激光激发Langmuir波至关重要。 关键词：     

基于共线型双等离子体的双色场辐射太赫兹波频谱调制

提出了一种通过共线型双等离子体的简单方法实现双色场作用下辐射太赫兹波的频谱调制。利用修正的光电流模型,模拟了共线型双等离子体在双色场条件下辐射太赫兹波的频谱分布。通过调节体系的参数,研究了两等离子体间距及激光光强对太赫兹波频谱调制的影响。结果表明,太赫兹频谱分布与两等离子体间距及双色激光强度有关。等离子体间距影响太赫兹波频谱的峰值个数和频移;激光光强虽会影响单个等离子体辐射太赫兹波的峰值频率,但是对于调制的频谱而言只会改变峰值的幅值。     

激光等离子体在螺线管发散磁场中的特性研究

激光烧蚀等离子体(LAP)可用作粒子加速器和离子注入器中使用的离子源。相较于其它离子源,激光离子源在流强上具有优势,但由于产生的离子束脉冲时间短,限制了其在加速器中的广泛应用。实验中通过对激光等离子体扩散区域引入螺线管磁场进行约束,实现了对激光等离子体脉冲时间结构的调制。为了研究螺线管磁场对LAP的影响,实验使用了不同的激光能量(1~8 J)来生产具有不同初始条件的激光等离子体,并应用了不同的磁场强度来约束激光等离子体。在螺线管边缘场,通过可移动的法拉第筒(FC)对激光等离子体的横向分布进行测量。对于不同初始状态的等离子体,随着磁场的增加,其离子脉冲的主要参数(脉冲总电荷量、峰值流强、脉宽)均呈现先上升后逐渐饱和的变化趋势。另外,在没有磁场的条件下,在所测量位置处,等离子体的横向呈均匀分布;而在磁场约束的条件下,等离子体明显向轴线聚集。以上实验结果对进一步了解磁约束激光等离子体的特性具有重要意义。     

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。     

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。     

激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟

研制了激光等离子体二维相对论电磁粒子模拟程序(2DCIC)。追踪几万甚至百万个模拟粒子在外加激光场和自洽场中运动,自洽地计算电荷和电流密度,求解完全的Maxwel方程,电子的相对论运动方程和离子的牛顿运动方程,辅以灵活的诊断研究波-波,波-粒子相互作用的发生、发展和饱和的细节以及时间演化规律。激光可以正入射,也可以斜入射;等离子体可以是均匀密度,也可以具有密度梯度;为了节约机时,还发展了并行运算。物理模型参数可调,既适用于研究激光聚变等离子体相互作用,也适用于超短脉冲超强激光等离子体相互作用和其它等离子体问题。经过多次试算检验,对等离子体平衡态进行了计算研究,对于超短脉冲超强激光的传播也进行了初步模拟计算。     

基于激光等离子体加速的自由电子激光研究新进展

激光等离子体加速器能够在cm尺度内产生GeV量级的高品质电子束,为研制台式化自由电子激光提供驱动源。但是受限于激光等离子体加速中的难点和现有技术发展,电子束的品质难以达到自由电子激光的需求,尤其在稳定性、发散角和能散等方面,阻碍了台式化自由电子激光的研制。介绍了基于激光等离子体加速器的自由电子激光的最新进展,整理了目前高增益自由电子激光实验过程中存在的主要挑战和对应的解决方案与实验进展,并展望未来的发展方向。最近的研究结果证明,通过控制和优化激光等离子体加速器的注入和加速过程产生的高品质电子束可以在指数增益区域实现自发辐射放大,产生高增益的辐射,这也推动基于激光等离子体加速器的自由电子激光研究进入了一个新的阶段。     

激光支持等离子体爆轰波温度的实验测量

 高能量激光聚焦空气产生等离子体,等离子体进一步吸收激光能量会形成激光支持等离子体爆轰波。等离子体爆轰波温度是表征爆轰波的一个重要参数,研究等离子体爆轰波温度对于深入了解激光支持等离子体爆轰波形成机理有重要意义。分析了激光聚焦空气形成等离子体爆轰波过程和影响等离子体爆轰波温度的主要因素。采用多通道瞬态光学高温计,测量了不同激光发射能量下空气中形成的激光支持等离子体爆轰波的辐射强度,获得了一系列等离子体爆轰波温度动态变化曲线。测量结果表明：等离子爆轰波温度在随时间演化过程中出现3个峰,最高温度在7 000～10 000 K范围内;激光能量与等离子体爆轰波温度没有明显的相关性。     

亚皮秒太瓦脉冲激光与物质相互作用研究进展

当前亚皮称太瓦超短冲激光技术的发展为激光与物质相互作用领域提供了许劝人心的研究机会，从激光与单个原子的相互作用到激光等离子体中的集体效应，如原子的高度离化、Ｘ射线激光、等离子体波导，等离子体粒子加速器，快速点火方案等等，文章评述了最近几年这方面的研究进展。     

欧美国家制成激光加速器

目前，世界上已有3个实验组独立成功地利用激光场的尾波加速单能电子束。当一束强的激光脉冲进入气体或等离子体时。激光的电场可以加速运动的电子，直到相对静止的离子通过库仑场把电子拉回为止。等离子体波沿着激光脉冲的尾场运动。在合适的条件下，电子能够被等离子体波带着走；而以前。被加速的电子的能量是分散的。但是，只要加速过程在合适的时间停止。正在加速的电子可以超过等离子体波，而且所有的电子都达到相同的能量。由法国科研中心（GNRS）的维克多·莫片（Victor Malka）领导的小组和由英国伦敦皇家学院的斯多达·孟格利斯（StuartMangles）领导的小组已精确地调整其激光器和等离子体的参数，分别产生了能量约为170MeV和70MeV的准直电子束。     

空气中激光支持爆轰波实验及理论分析

为了研究激光击穿空气产生的等离子体爆轰波形成机制和传播规律,利用高能量CO2激光器产生强激光,进行了空气中产生激光支持等离子体爆轰波实验。实验中:设置了诱导靶板,用于诱发和定位空气中的激光支持爆轰波;以激光器升压过程球隙放电产生的光信号作为触发源,触发高时间分辨率(纳秒级)的高速相机,记录了激光支持爆轰波的成长和传播全过程。分析了激光支持爆轰波的形成机理和传播规律。采用C-J爆轰理论,计算了激光支持爆轰波的压力和温度。研究结果表明:激光支持等离子体爆轰波形成初期,等离子体爆轰波发光体为球形;随着时间增加,等离子体爆轰波发光体的形状类似流星,且头部为等离子体前沿吸收层,亮度较高,而尾部等离子体温度较低,亮度较弱。等离子体爆轰波高速向激光源的方向移动,爆轰波速度高达18 km/s,温度约为107K。随着激光强度的减弱,爆轰波速度迅速按指数规律衰减,当爆轰波吸收的激光能量不能有效支持爆轰波传播时,爆轰波转变为冲击波。     

超短超强激光等离子体物理专题编者按

强激光等离子体物理是随着激光技术的发展而快速兴起的一门交叉学科,主要研究强激光与物质相互作用形成的等离子体结构、演化及应用.其研究内容从早期纳秒激光与等离子体作用相关的惯性约束聚变物理,到近年来飞秒激光与等离子体作用的新型加速器和辐射源物理,再到当前和未来以数十至百拍瓦激光等离子体作用的量子电动力学(QED)等离子体物理,逐步得到拓展和深入.     

强场宽带太赫兹波辐射的研究进展

太赫兹光谱分析和检测技术在材料特性研究、医学诊断、环境监控等方面具有广阔的应用前景。目前高性能太赫兹源的缺乏是太赫兹光谱检测和成像技术发展缓慢的制约因素之一。因此,强场宽带太赫兹源的开发一直是太赫兹领域的研究重点。综述超快飞秒激光脉冲驱动下强场太赫兹波辐射的研究进展,详述激光激励金属纳米薄膜、气体和液体中等离子体辐射宽频强场太赫兹波的现象和物理机制,并比较了各种强场太赫兹产生方法的特点和优缺点,最后讨论基于超快激光激发物质产生太赫兹波的发展前景及所面临的挑战。