超强激光脉冲下等离子体块的整体加速研究

为了克服激光加速中强流离子束空间电荷效应对粒子输运的影响,提出一种利用两块不同密度的固体靶先后和一束强度约为1022 W/cm2、脉冲长度为5T(T为激光周期)的超强脉冲激光相互作用的方案,实现了中性等离子体块的加速。通过一维PIC数值模拟研究发现,在合适的参数下,加速后的电子与质子几乎以相同的速度共同飞行长达60（为激光波长）的距离,其中质子与电子的能量分别为GeV和100 MeV量级。     

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.     

中空等离子体通道中强激光脉冲对电子的加速

分析了中空等离子体通道内传播的强激光脉冲电磁场中注入电子的运动,发现当激光脉冲强度超过某个阈值时,电子能获得有效的纵向加速并自动与脉冲分离.所得结果为实验提供了参考和依据.     

强场物理新进展--强激光在等离子体中加速电子的新机制

相对论强激光与等离子体相互作用中高能电子的产生机制是近年来一直被广泛重视的课题，文章扼要介绍了其中主要的几种加速机制，并特别介绍了作者最近提出的电子在对撞激光场中的随机加速机制。     

激光等离子体相互作用中的两级质子加速（英文）北大核心CSCD

研究了激光辐射压驱动的两级质子加速的相关问题。当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时,在固体靶后部形成一个电子层-离子层组成的双层结构。在激光的不断推进下,双层结构在背景等离子体里以一定速度传播,可以看成运动在背景等离子体中的电场。这样,在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量。通过二维PIC模拟方法和理论分析研究了质子加速的相关问题。研究结果表明,被加速质子的最大能量达到20GeV。     

超强激光等离子体中钻孔效应的二维粒子模拟

当非均匀超短脉冲强激光照射均匀分布的过稠密等离子体时, 相对论效应导致电子质量增大,相对论电子等离子体频率减小,激光能更深地进入等离子体产生强烈吸收。由于入射激光的径向不均匀性,钻孔效应显著。通过二维粒子模拟结果清晰地观察到了等离子体通道的产生。     

超强激光等离子体中钻孔效应的二维粒子模拟

 当非均匀超短脉冲强激光照射均匀分布的过稠密等离子体时, 相对论效应导致电子质量增大,相对论电子等离子体频率减小,激光能更深地进入等离子体产生强烈吸收。由于入射激光的径向不均匀性,钻孔效应显著。通过二维粒子模拟结果清晰地观察到了等离子体通道的产生。     

利用激光离焦的方法优化超强激光驱动的质子加速

在中国科学院物理研究所"极光Ⅱ 号"飞秒激光装置上,对激光与薄膜靶相互作用产生的靶后质子束特性进行了实验研究.结果发现,在主脉冲前存在较强的飞秒预脉冲的情况下,通过适当地对激光束散焦,可以使质子束的转换效率提高3 个数量级,并同时改善质子束的准直性.分析表明,激光散焦的方法可以有效地抑制预脉冲的流体力学效应对质子加速的负面影响,从而提高质子的转换效率.此外,粒子模拟还发现,散焦量增大时可以产生更多的中低能超热电子,这也有利于建立高质量的质子加速电场. 关键词： 超短脉冲激光与等离子体相互作用 质子加速 转换效率     

激光等离子体共振吸收中等离子体波对电子的加速

用二维多时标全电磁模相对论粒子模拟程序，对共振吸收中等离子何不皮的激发，电子的加速以及超热电子的产生进行了模拟计算，给出了合理的物理图像。     

快点火与超强激光等离子体相互作用问题

“快点火”是近年来提出的激光聚变点火的一种新方式。它的特点是靶丸的压缩和点火分开进行：第一步由通常的多束激光对称辐照靶丸获得高密度;而后由单束超强激光（Iλ≈10^18-20Wum^2/cm^2)加热芯部实现点火。第传统的“热斑点火）比较,快点火在压缩方面具有很多优越性：大量节省驱动能量,降低了对驱动均匀性的要求,并且可以达到更高的能量增益。但是超强激光点火却涉及一些非常复杂的问题：在预压缩形成的等郭体中打洞（hole boring);在高密度燃料的边沿产生足够数量的高能量电子（MeV）,这些电子的传输加热等。文章简短地讨论了这些问题,并研究了几十kJ激光能量实现点火的可能性。     

Effects of substrate-ion density gradients on light-ion acceleration from ultraintense laser pulse irradiated thin-foils

A general solution of the electrostatic potential that determines the maximum light-ion energy is derived for the test-particle acceleration model by taking into account the influence of the substrate-ion density gradient.It is shown that the substrate-ion density structure is also dependent on laser pulse duration.In the picosecond or sub-picosecond regime,the decreasing density gradient of the substrate-ions leads to an evident reduction in the acceleration efficiency of the light-ions.However,this kind of influence is negligible in the ultrashort regime.     

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.     

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。     

Brunel-dominated proton acceleration with a few-cycle laser pulse

Experimental measurements of backward accelerated protons are presented. The beam is produced when an ultrashort (5 fs) laser pulse, delivered by a kHz laser system, with a high temporal contrast (10(8)), interacts with a thick solid target. Under these conditions, proton cutoff energy dependence with laser parameters, such as pulse energy, polarization (from p to s), and pulse duration (from 5 to 500 fs), is studied. Theoretical model and two-dimensional particle-in-cell simulations, in good agreement with a large set of experimental results, indicate that proton acceleration is directly driven by Brunel electrons, in contrast to conventional target normal sheath acceleration that relies on electron thermal pressure.     

Controlled wake field acceleration via laser pulse shaping

We consider the interaction of high-intensity laser pulses with underdense plasmas and address the problem of the excitation of strong and stable wake plasma waves with regular electric fields to provide effective acceleration of charged particles over appreciably long distances. It is known that a relativistically strong laser pulse longer than the wavelength of plasma waves, propagating in a plasma is subject to self-modulation. This may result in a nonstationary behavior of the produced plasma wake field/particle dephasing, and reduced net acceleration. In this paper we present the results of 1(2/2)-D and 2(1/2)-D particle in cell (PIC) simulations which demonstrate that regular wake electric fields may be obtained by a properly shaped laser pulse (sharp steepening of its leading front). These results are relevant to the design of the 100 MeV laser wake field electron acceleration experiment that uses a terawatt picosecond CO₂ laser and is under construction at the Brookhaven Accelerator Test Facility     

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。     

Enhancement of proton acceleration by hot-electron recirculation in thin foils irradiated by ultraintense laser pulses

MeV-proton production from solid targets irradiated by 100-fs laser pulses at intensities above 1x10(20) W cm(-2) has been studied as a function of initial target thickness. For foils 100 microm thick the proton beam was characterized by an energy spectrum of temperature 1.4 MeV with a cutoff at 6.5 MeV. When the target thickness was reduced to 3 microm the temperature was 3.2+/-0.3 MeV with a cutoff at 24 MeV. These observations are consistent with modeling showing an enhanced density of MeV electrons at the rear surface for the thinnest targets, which predicts an increased acceleration and higher proton energies.     

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。