基于激光等离子体的X/γ辐射研究进展

随着激光技术的不断发展,激光功率突破10 PW量级,激光与物质相互作用进入近量子电动力学(QED)范畴。从弱相对论激光到相对论激光再到强相对论激光,激光场与物质的耦合可以产生能量从keV到MeV甚至GeV的X/γ射线。这些辐射具有通量大、亮度高、能量高和脉宽短等特点,在核物理、高能量密度物理、天体物理等基础研究以及材料科学、成像、医学等领域具有广泛应用前景。系统梳理了近年来相对论强激光与气体、近临界密度等离子体及固体靶相互作用,通过诸如同步辐射、betatron和类betatron辐射、Thomson散射和非线性Compton散射过程等产生高能X/γ射线的最新研究进展,总结了各种方案产生的X/γ射线的品质因子和潜在应用,并为下一步基于强激光大科学装置的实验研究提供理论参考。

激光入射双层等离子体靶产生的表面等离子体波及应用

表面等离子体波的存在可以显著改变激光与等离子体的耦合效率,这在激光驱动粒子加速、强X射线产生、温稠密物质态等领域研究有重要应用.本文利用二维粒子模拟程序,研究了强激光入射双层等离子体靶激发的表面等离子体波.模拟结果表明,不同于单层靶情形,大角度入射的强激光脉冲达到一定强度阈值后,可驱动等离子体表面中的电子形成周期结构,激发静电波,其波长与入射波波长相近,传播速度接近光速;表明双层等离子体更有利于表面波的激发,传播范围更大;双层靶的表面波强度与入射激光强度的比值明显不同于单层靶的理论结果,呈现非线性关系;表面波的存在可以显著增强后续激光脉冲的透射,使后续激光脉冲突破稠密等离子体形成的“黑障”,在远高于临界密度的薄靶后被观察到.

激光等离子体相互作用的局域振荡电子加热机制

用2.5维粒子模拟程序模拟了超强激光与等离子体的相互作用过程,发现超强激光可以通过J ×B加热机制加速电子并引起电荷分离,从而产生很强的静电场并形成电场势阱,电子在静电场势阱中振荡, 被多次加速,使得高速电子被甩出势阱,进而增强电荷分离,然后静电场结构被破坏,静电势能传给电子。在此 过程中,电子在此阱中作局域振荡,并且被J×B机制多次加速,激光的能量会有效地传给电子,使电子能量高 达10MeV。这是一种新的电子加热机制,称之为局域振荡电子加热机制。

圆偏振涡旋激光脉冲驱动等离子体产生飞秒磁脉冲的研究

飞秒磁场脉冲对研究超快磁化、超快退磁、超快磁存储和自旋超快动力学等过程具有重要意义。传统的脉冲磁场受限于脉冲电源性能无法获得毫秒量级以下的超短脉冲磁场,无法研究飞秒尺度的磁动力学过程。利用超短脉冲激光驱动等离子体产生旋转电流是目前产生飞秒磁场脉冲的有效方法。本文利用质点网格法模拟圆偏振拉盖尔高斯光束驱动等离子体中的电子运动从而产生光电流以及飞秒磁脉冲的过程,模拟产生了特斯拉量级的飞秒超短磁脉冲,并系统讨论了驱动激光强度与等离子体密度对磁脉冲的影响。结果表明,脉冲磁场的脉宽与驱动光一致,其强度随着激光场强度、等离子体密度增加而增加。通过本文研究寻找产生飞秒磁脉冲的优化实验参数,有望将超快磁动力学研究推进到飞秒时间尺度。

激光等离子体相互作用的能量吸收机制

基于激光等离子体交互作用的能量吸收机制建立了数学模型,采用PIC方法研究非均匀短脉冲强激光入射到均匀分布的稠密等离子体时的能量吸收机制.对比研究了J×B加热、共振吸收、真空加热三种能量吸收机制,以期找到最适合等离子激光复合熔积成形数值模拟能量吸收机制.

短脉冲激光等离子体相互作用的离子发射谱研究

短脉冲强激光系统的建立,为激光与等离子体相互作用的研究提供了非常新颖和有利的实验条件。短脉冲强激光辐照固体靶,能瞬间在固体表面形成非常薄(小尺度)的高密度等离子体。由于短脉冲激光上升沿较陡,所产生的激光等离子体便具有一些新的特征,其产生机理,二次谐波发射,X射线发射,以及离子发射都与长脉冲激光等离子体有所差别。

聚变激光等离子体相互作用中受激拉曼散射动理学数值模拟研究进展

针对影响惯性约束聚变实现中的各种激光等离子体相互作用不稳定性问题,科学家们借助高速发展的计算机技术做了大量的模拟仿真研究,以辅助推动惯性约束聚变工程的发展进程。笔者介绍了激光等离子体相互作用中的动理学数值模拟方法,并着重介绍惯性约束聚变中受激拉曼散射动理学数值模拟的研究进展,并对可能的研究发展方向予以展望。

研究生《激光等离子体相互作用原理》专业课程创新教学模式探索

介绍了国内激光等离子体相互作用课程的教学情况、教材使用情况,国防科学技术大学理学院在该课程的教学中所进行的创新性教学模式探索实践和所取得的成效。最后总结了教学改革和人才培养的经验,对其它研究生课程建设具有一定的参考价值。

激光等离子体相互作用模拟的并行和加速研究

随着生成超短激光脉冲技术的不断发展,对这种激光脉冲和等离子体相互作用进行动力学描述也变得越来越重要。PIC(particle-in-cell)是一种在等离子体物理中,研究充能粒子在电磁场中运动轨迹的广泛采用的方法。尽管现在已经有一些在GPU上的PIC方法的实现,但是基于激光等离子体相互作用模拟的特点,仍然有很多重要问题可以尝试其他解决思路。提出了一种把初始的基于CPU的LPI模拟代码完整移植到GPU上的可行方法。提出了一系列加速初始的GPU版本的方法:动态冗余算法、混合精度算法、粒子排序算法。利用并且评估了GPUDirect RDMA(remote direct memory access)技术,其可以提高MPI的通信性能。实验结果证明,与初始的GPU版本相比,"Scatter"阶段加速比为6.1倍,当MPI传输数据大于3 KB时,通信过程提速了2.8倍。这些研究证明了针对模拟应用和GPU集群的特点进行特殊的优化能对性能带来显著的提升。

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。

飞秒强激光脉冲在等离子体中的自压缩

文章从激光等离子体相互作用的非线性薛定谔方程出发,理论研究了飞秒强激光脉冲在等离子体中的自压缩行为.结果表明在一定范围内随着激光脉冲宽度、激光强度的增大以及等离子体密度的减小,飞秒强激光脉冲在等离子体中传播的自压缩现象越明显.另外通过适当设定参量得到了近似稳定传播的基孤子.

相对论长脉冲激光在非均匀等离子体中的传播特性

通过解析和数值方法研究了相对论长脉冲激光在非均匀等离子体中的传播.首先,得到了激光脉冲在均匀等离子体中传播的解析解,并通过数值模拟进行了验证.结果表明,长脉冲激光在均匀等离子体中传播时,脉冲宽度的变化不影响激光强度空间分布的变化;然而,激光脉冲的强度和电子密度的空间分布可以通过调制等离子体频率来调节.在具有高斯型密度分布的非均匀等离子体中,随着高斯型密度分布振幅的增大,激光脉冲的强度逐渐增强,激光脉冲的横向分布逐渐呈现出尖锐状分布;在具有反高斯型密度分布的非均匀等离子体中,随着反高斯型密度分布振幅的减小,激光脉冲的强度逐渐减小,激光脉冲呈现横向平台状分布.因此,等离子体的非均匀性对长脉冲激光的传播有着重要的影响.

激光等离子体加速电子机制研究进展

通过激光等离子体相互作用获得的高能电子束流在医学成像、癌症治疗、快点火聚变以及天体物理学等方面有着广泛的应用前景。随着啁啾脉冲放大技术的不断发展,激光脉冲的强度大幅提高的同时脉冲持续时间逐渐减小,超短超强激光脉冲与等离子体相互作用中激发出的大振幅的等离子体尾波能够有效地提高加速电子的能量。通过介绍近年来激光等离子体加速电子的主要加速机制的同时介绍该领域一些新的研究进展。

伴随强光子辐射的自旋极化等离子体研究进展

强光子辐射导致的自旋极化等离子体是强激光与物质相互作用领域兴起的新研究方向。基于等离子体的自旋极化粒子束在固态材料诊断、原子核结构探测、弱电相互作用分析等方面具有广泛应用。同时,自旋作为电子的固有属性,它可为描述等离子体的行为状态提供新的信息自由度,因此自旋极化信号在强场等离子体自诊断也具有潜在应用。概述了在超强相对论等离子体中,由伽马光子辐射伴随的自旋翻转产生的自旋极化等离子体的物理机制,并对其在超高能量密度等离子体瞬态动力学反演的可能进行了介绍。

三维激光等离子体相互作用并行数值模拟

提供一个三维非线性流体力学与激光传播耦合的并行求解软件LAP3D，以帮助物理人员研究激光束自聚焦、激光成丝现象。LAP3D基于三维Cartesian坐标系，假设激光沿z向传播，在等离子体标准中性近似假设条件下，忽略电子动量，求解三维Euler流体力学方程、非局域电子热传导方程、旁轴包络近似的激光传播方程3个物理过程。

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.

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60λ(λ为激光波长)的距离,其中质子与电子的能量分别为GeV和100MeV量级。

相对论激光在Maxwell分布等离子体中产生的高次谐波

研究了强激光与具有初始速度分布的等离子体作用产生的高次谐波。结果表明,对于Maxwell速度分布的等离子体,由于电子初始时刻的无规则热运动,在一定程度上抹平了辐射功率在谐波谱上的分布,使得高次谐波的辐射增强,低次谐波的辐射有所减弱,有利于高次谐波的产生。

不同激光等离子体条件下的阿秒光脉冲产生

通过一维粒子模拟研究了利用相对论少周期强激光与固体密度等离子体表面相互作用实现单个孤立阿秒光脉冲产生的参数条件。主要研究描述相互作用的多维参数,如激光强度、入射角和等离子体标尺长度等,对相对论高次谐波能量转换效率和孤立阿秒光脉冲分离度的影响。研究发现,虽然激光等离子体参数对阿秒光脉冲产生的影响是复杂的,但是存在着能够实现大能量孤立阿秒光脉冲的最佳等离子体标尺长度和最佳入射角。当其他相互作用条件确定时,使用中等强度的相对论强激光可以在较宽的参数范围内实现孤立的阿秒光脉冲。大角度入射时,孤立阿秒光脉冲的分离度较高,能够实现孤立阿秒光脉冲的相互作用参数范围也较宽。