超短脉冲超强激光与固体靶相互作用中高能离子的产生

用2D3V PIC粒子模拟方法得到了超短脉冲超强激光与固体靶相互作用中高能离子产生的图像,并对其机理进行了研究。在靶前后表面都观察到了高能离子的产生,并诊断了离子能谱。模拟结果表明,在靶前表面所产生的高能离子,角分布较大,在向靶内输运过程中会损失能量;在靶后表面产生的高能离子,定向性很好,能获得很高的能量。模拟得到的离子能量和实验观测结果在量级上相符。     

超短脉冲超强激光与固体靶相互作用中高能离子的产生

用2D3V PIC粒子模拟方法得到了超短脉冲超强激光与固体靶相互作用中高能离子产生的图像，并对其机理进行了研究。在靶前后表面都观察到了高能离子的产生，并诊断了离子能谱。模拟结果表明，在靶前表面所产生的高能离子，角分布较大，在向靶内输运过程中会损失能量；在靶后表面产生的高能离子，定向性很好，能获得很高的能量。模拟得到的离子能量和实验观测结果在量级上相符。     

第四讲 超强激光脉冲与等离子体相互作用中高能离子的产生

近几年来，由于高功率激光技术的不断发展，利用超强激光脉冲与等离子体相互作用产生高能离子束的研究得到了极大推动．实验和理论模拟均发现，在超强激光脉冲与等离子体相互作用过程中，可以产生高亮度、小尺寸、方向性好的高能质子束和高能重离子束．这种基于超强激光的高能离子源在先进离子束成像技术、惯性约束聚变混合“快点火”、新型台面离子加速器以及医疗等方面都有很诱人的应用前景．文章主要介绍了超强激光与固体靶相互作用中高能离子束（尤其是质子束）的加速机制、高能离子束特性、常用测量方法及其潜在应用，并对最新的研究进展进行了简单介绍．     

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。     

超短超强激光和稠密等离子体相互作用的数值研究

应用一维粒子模拟方法数值研究了超短超中激光和稠密等离子体的相互作用，结果表明，在等离子体中的激发起无规则的电场波动，同时在等离子体中产生温度很高的电子。     

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JB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。     

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。     

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     

超短超强激光与薄膜靶作用的光学光谱

在SILEX-Ⅰ超短超强激光装置上,研究了30 fs,1.0×1019 W/cm2超短超强激光脉冲与薄膜靶作用产生的发射光谱。对于3 μm厚的铜靶,在激光沿靶面的镜面反射方向观测到二倍频和3/2倍频光谱,且都发生了红移。由红移量推测出等离子体反射面的后退速度约为2.6×108 cm/s。对于200 nm厚CH靶,沿激光传播方向观察到超连续光谱,光谱波长范围从约300 nm延伸至约940 nm。利用MULTI-1D流体程序,模拟了超强激光的预脉冲与薄膜靶相互作用过程,结果表明,预脉冲对预等离子体的密度分布有显著影响,是导致实验观测光谱差异的原因。     

超短超强激光与薄膜靶作用的光学光谱

 在SILEX-Ⅰ超短超强激光装置上,研究了30 fs,1.0×10¹⁹ W/cm²超短超强激光脉冲与薄膜靶作用产生的发射光谱。对于3 μm厚的铜靶,在激光沿靶面的镜面反射方向观测到二倍频和3/2倍频光谱,且都发生了红移。由红移量推测出等离子体反射面的后退速度约为2.6×10⁸ cm/s。对于200 nm厚CH靶,沿激光传播方向观察到超连续光谱,光谱波长范围从约300 nm延伸至约940 nm。利用MULTI-1D流体程序,模拟了超强激光的预脉冲与薄膜靶相互作用过程,结果表明,预脉冲对预等离子体的密度分布有显著影响,是导致实验观测光谱差异的原因。     

超短电子脉冲在聚焦强激光场中的三维有质动力散射

采用三维测试粒子模拟(test-padicle simulation)的方法，研究了聚焦的飞秒脉冲强激光与超短电子束进行有质动力的散射过程.详细讨论了超短电子束经过不同激光延迟下有质动力散射的空间分布特征和能谱特征.提出了通过测量电子束的空间分布和能谱分布实现对超短脉冲电子束的脉冲宽度测量的方法. 关键词： 有质动力散射 聚焦的飞激光 飞秒电子束     

团簇在超强超短脉冲激光场中的演化

利用低温脉冲气阀产生氘团簇束,在SILEX-Ⅰ激光装置上开展实验,研究氘团簇在超强超短脉冲激光场中的演化过程,获得了数十keV的高能氘离子,这些氘离子的能谱分布与库仑爆炸模型计算结果一致。实验结果表明,在一定的激光功率密度条件下,团簇的平均尺度决定了释放出高能离子的能谱分布。激光辐照团簇后,通过阈上电离部分电子逃逸团簇,随着初始电离电子屏蔽作用加强,碰撞电离变成了团簇的主要电离机制。     

团簇在超强超短脉冲激光场中的演化

 利用低温脉冲气阀产生氘团簇束,在SILEX-Ⅰ激光装置上开展实验,研究氘团簇在超强超短脉冲激光场中的演化过程,获得了数十keV的高能氘离子,这些氘离子的能谱分布与库仑爆炸模型计算结果一致。实验结果表明,在一定的激光功率密度条件下,团簇的平均尺度决定了释放出高能离子的能谱分布。激光辐照团簇后,通过阈上电离部分电子逃逸团簇,随着初始电离电子屏蔽作用加强,碰撞电离变成了团簇的主要电离机制。     

超强脉冲激光辐照固体靶背表面的渡越辐射

在超强脉冲激光与固体靶相互作用中,利用光学CCD相机和光学多道分析仪,分别在固体薄膜靶背表面法线方向测量了渡越辐射（TR）积分成像图案和光谱。测量结果显示：TR空间分布图案呈圆环状,而辐射区域有发散角和光强分布;TR光谱在800 nm附近出现尖峰,是激光的基频波,这一现象归因于超热电子束在输运的过程中产生的微束团而引起的相干渡越辐射;如果考虑超热电子的产生和加热机制,共振吸收和真空加热对超热电子都有贡献,其中占主导地位的加热机制则是共振吸收对电子的加热。     

超短超强激光与稀薄等离子体相互作用中后孤立子的观测

开展了超短超强激光与稀薄等离子体相互作用实验,在实验中采用等离子体单色成像法观测等离子体发光图像,捕捉到了近乎对称的环形等离子体发光结构. 在对实验结果进行分析并与理论预言进行比较后确认这是由激光-等离子体相互作用形成的后孤立子云外围的高密度等离子体壳层发光所致. 同时通过对等离子体通道的观测还发现,孤立子的形成对超短超强激光在稀薄等离子体中的传输产生了非常大的影响. 关键词： 超短超强激光 稀薄等离子体 单色成像 后孤立子     

超短超强激光产生正电子的蒙特卡罗模拟

通过理论分析,建立了超短超强激光与固体靶作用产生正电子的蒙特卡罗模拟模型及Geant4模拟程序。模拟研究了靶材料、靶厚度及超热电子温度等对正电子产额的影响,结果表明:对铝、铜、锡、钽、金、铅6种靶材料,金靶的正电子产额最高,是优秀的正电子产生靶;不同超热电子温度下存在不同的最佳靶厚度,在最佳靶厚度以下,正电子产额随靶厚度增长而增大,靶厚度取3 mm较为合适;超热电子温度越高,正电子产额也越高,提高激光强度是增加正电子产额的有效途径。模拟研究给出了正电子角分布及其能谱,结果显示,正电子发射明显前倾,从大于90方向范围发射的正电子数量极少,且超热电子温度越高前倾特点越明显,能量呈类麦克斯韦分布,靶背法线方向出射的正电子的温度随超热电子温度升高而升高。     

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.