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.

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。

基于锥形等离子体通道的百拍瓦激光脉冲整形及重离子加速

利用粒子模拟程序研究了百拍瓦极端光场条件下,锥形等离子体通道对激光脉冲的整形和重离子加速的影响.研究发现,由于非线性干涉和聚焦效应,锥形等离子体通道能够整形激光脉冲时空波形并增强激光强度.对于强度为5.46×10^(22)W/cm^(2)、束腰半径为10μm的线偏振激光入射夹角θ=10°的锥形等离子体通道,可获得紧聚焦(束腰半径<1μm)、超高强度(强度提高6倍)的整形激光.利用该激光加速通道末端的超薄平靶发现,辐射反作用力能够有效地抑制由于电子加热和激光强度横向不均匀引起的超薄平靶横向膨胀,延长超薄平靶透明时间,使得金离子得到充分加速,最终可获得截止能量高达约240 GeV的金离子.研究结果有望为未来百PW激光重离子加速实验方案设计及其在核-核碰撞中的应用研究提供理论参考.

利用均匀密度等离子体通道加速质子的辐射压力增强方案

提出了辐射压力加速与激光尾波场加速相结合的高能质子加速方案.该方案中在临界密度薄靶后端增加一个均匀密度等离子体通道获得了峰值能量为22.2 GeV、截止能量为36.4 GeV和电荷量为0.67 nC的高能质子束,与质子在纯辐射压力加速中相比,其高能质子的截止能量可以提升2个数量级.结果证实了通过在近临界密度薄靶后面连接一个均匀密度等离子体通道,等离子体通道中激光激发的尾波场可以捕获经辐射压力过程预加速的质子并维持长时间的加速,最终获得高能质子,本文还研究了不同均匀密度等离子体通道中质子的加速情况,发现密度越高,则被加速质子的峰值能量和截止能量越高,电荷量也越大.该组合加速方案对高能质子束的产生与应用具有一定的指导意义.

强激光与亚临界密度等离子体相互作用中的近前向散射驱动光子加速机制

通过二维粒子模拟(particle-in-cell)方法研究了强激光与亚临界密度等离子体相互作用中的近前向光子加速机制.该机制利用强激光在亚临界密度气体传输过程中的电离效应产生在纵向和横向上密度分布不均匀的电子等离子体.在纵向上,入射激光电离氦气产生一个陡峭的电子密度前沿分布.在密度前沿处,入射激光与电子等离子体波作用发生近前向散射.散射光频率较激光频率增大,在频谱中产生了第一个特征峰.在横向上,密度不均匀造成电子等离子体波具有不同的相速度并与入射激光相互作用,使入射激光发生近前向散射,在频谱中产生了第2个特征峰.由于密度分布的不均匀性较电子等离子体波的密度扰动大得多,因此基于微扰理论的散射模型和色散关系,如受激拉曼散射,无法解释频谱中两个特征峰的出现.进一步研究发现:在密度不均匀的情况下,入射激光、电子等离子体波和散射光三者之间仍满足动量和能量守恒的三波耦合关系.这能够解释两个特征峰对应的频率和强度增长过程.该研究对于强激光在亚临界密度气体传输过程中的频谱演化具有重要参考意义.

锐真空-等离子体边界倾角对激光尾波场加速中电子注入的影响

超短超强激光脉冲在气体等离子体中激发的尾波场加速在过去40年里有了长足的发展,人们已经在厘米加速距离内获得了数GeV的准单能电子加速,激光尾波加速的最高电子能量已经达到8 GeV.为了进一步提升加速电子束的稳定性和品质,多种电子注入方式先后被提出.本文研究了基于锐真空-等离子体边界面的密度跃变注入,着重讨论了不同角度的倾斜边界面对注入电子品质的影响.二维粒子模拟研究表明,与倾角为0°的垂直边界面相比,在合适的倾斜边界角下,第二个尾波空泡内产生的注入电量可以有近三倍的提升,同时偏振方向与入射面平行的驱动激光可以增加第一个空泡内注入电子的电量.根据不同激光入射角度时尾波场中电子自注入的起始位置差异,分析了电子电量与横向振荡增强的原因.这些研究有利于提升基于Betatron运动的尾波场辐射及其应用.

真空下激光烧蚀碳化钨铜多组分等离子体发射光谱的时空演化研究

激光诱导击穿光谱技术目前已用于国内大科学装置EAST托卡马克壁诊断。在真空环境下,如何提升LIBS定量分析准确性是其进一步发展的瓶颈问题之一。在真空中,激光诱导等离子体具有高度时空非均匀性,对等离子体时空演化行为的研究,理解各个物种的演化规律,是进一步改进LIBS定量分析准确性的重要内容。针对托卡马克第一壁和偏滤器的材料相关的不同元素,该工作在真空环境下利用波长为1 064 nm、脉宽5 ns、功率密度6.3 GW·cm-2的脉冲激光对三元合金-碳化钨铜((WC)70Cu30)进行烧蚀产生多组分等离子体,使用线性阵列光纤实现了对发射光谱的时空分辨测量。以三种元素CⅠ833.51 nm, CⅡ657.81 nm, CuⅠ515.32 nm, CuⅡ512.45 nm, WⅠ429.46 nm, WⅡ434.81 nm六条谱线为研究对象,研究了激光烧蚀等离子体不同辐射机制的时间尺度以及多组分等离子体在扩张过程中发生的元素“空间分离”现象和“离子加速”现象。根据连续背景和六条谱线的时间演化规律,观察到连续辐射主要发生在等离子体膨胀早期80 ns内,离子谱线在30~300 ns,原子谱线在100~1 000 ns。空间分辨实验研究发现,C、 Cu、 W元素对应原子及离子的空间分布均有所不同,即真空中激光烧蚀多组分等离子体在扩张过程中发生了元素“空间分离”现象。将六条谱线的峰值位置和时间进行线性拟合,获得了对应物种的扩张速度,其速度范围在4.2~34.9 km·s^(-1)。结果表明,相对原子质量越小,对应粒子的速度越快(CⅠ>CuⅠ>WⅠ, CⅡ>CuⅡ>WⅡ);对应元素的离子速度大于其原子速度(CⅡ>CⅠ,CuⅡ>CuⅠ,WⅡ>WⅠ)。利用元素“质量分离效应”和“瞬态鞘层加速”的物理机制,对激光等离子体元素“空间分离”以及“离子加速”现象进行了讨论和解释。该研究结果为LIBS理论模型建立提供了重要的实验数据参考,也为提高真空LIBS定量分析准确性提供了新思路。

密度减稀等离子体中激光尾场加速电子研究

激光尾场加速电子是当前十分重要的物理前沿研究课题。介绍了激光尾场对电子加速的原理,并给出在等离子体密度绝热减稀条下加速电子的新机制,指出从原理上实现单级GeV量级加速的可行性,最后介绍了实验方面的相关新进展。

激光等离子体中极端相对论性电子的朗缪尔湍动加速

从理论上研究了激光等离子体中极端相对论性高能电子的朗缪尔激元湍动加速,得到了高能电子的加速谱。这种加速谱具有指数的形式,和实验所得到的结果相符。

强激光等离子体中质子加速的新机制

为了研究等离子体中Compton散射对靶背法向方向加速质子的影响,采用多光子非线性Compton散射模型和等离子体模拟方法,对Compton散射下等离子体中的质子加速进行了理论分析和数值模拟,提出了将入射光和Comp-ton散射光作为在等离子体靶表面处形成的静电场加速质子的新机制,得到了质子加速的一些重要数据。结果表明,Compton散射使等离子体内产生的高能电子数增加,高能电子靶表面上所产生的静电场增强,从而使质子获得更高的加速能量;散射使静电场增强效应,有效地补偿了因激光调制不稳定性增强而造成电子在向等离子体输运过程中的能量损失,从而使质子从平缓密度标长等离子体中获得的加速能量高于从陡峭密度标长等离子体中获得的加速能量。因此,采用Compton散射下的平缓密度标长等离子体加速质子较为理想。

超短超强激光脉冲驱动等离子体波加速电子方案以及最新研究进展

随着超短超强脉冲激光技术的发展,人们可以在台面尺度获得光强超过10^(18)W·cm^(-2)、脉宽小于100 fs的超短脉冲激光。这种超短脉冲激光很容易把初始静止的电子加速到相对论能量。而更重要的是超短激光脉冲可以通过其有质动力激发大振幅的等离子体波(称为激光尾波场),把电子加速到更高的能量。其加速梯度可达到100 GeV·m^(-1),即在1 mm的空间尺度把等离子体电子加速到100 MeV。国际上4个实验室在2004年报道通过激光尾波场加速获得能量单色性以及方向性极好的电子束,使人们看到了激光尾波场加速电子的实际应用前景。文中简要介绍等离子体中激光尾波场加速电子的物理机制和方案、及该领域的最新进展和展望。

激光差拍波等离子体加速装置中约束磁场的计算研究

通过对等离子体发生器建立三维模型，计算得到磁场在该装置中的分布情况。所得结果与实际测量基本一致，从而说明所建模型的合理性。通过调节一些参数，对该模型进一步搞清了导致等离子体发生器中真实磁场较实验设计要求偏低的主要原因，并提出了相应的改进方案。

低密等离子体通道中的非共振激光直接加速

在低密等离子体通道中,横向有质动力可以有效调制电子的横向振荡过程.一方面,横向有质动力可以向外推动电子,增大电子横向振荡振幅,减小失相率,使电子获得能量增益;另一方面,横向有质动力也可以通过对失相率的非线性调制来降低失相率,在电子横向振荡振幅很小的情况下导致激光直接加速.横向有质动力调制的大小由等离子体密度、激光强度和束宽共同决定.三维模型结果也证实可以通过参数放大实现激光直接加速,弥补了准二维模型的局限性.

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．

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。

强激光作用下等离子体尾波引起奇次谐波辐射的理论分析

对库仑规范的激光与等离子体相互作用的耦合方程进行了准静态处理,同时利用处理后的方程从理论上完整规范地求出了相互作用的非线性辐射谐波分量。讨论分析了其谐波成分中只有奇次分量的原因和影响因素。通过给定参数的计算,作出了辐射谐波的能谱图,并发现相邻谐波辐射相差几百倍。

近临界密度等离子体中超强激光导引与尾波场离子加速

通过二维粒子模拟仿真实验(PIC),当一束合适参数下的超短超强激光脉冲与近临界密度等离子体相互作用时,电子受到电场力,磁场力和有质动力的影响,会形成空泡结构分布。而氚离子作为背景离子,对空泡结构的形成和氦离子的加速有着重要的作用。激光脉冲能在近临界密度等离子体中有效传输数个瑞利长度,且氦离子能够获得较长的加速距离并获得更多的能量,其最高能达到~4.5GeV。

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。

近共振区超短强激光脉冲激发的等离子体尾波场

用一维相对论粒子模拟研究了相对论超短强激光脉冲在等离子体中传播时激发的尾波场,初步获得了近共振区尾波场的峰值幅度随激光脉冲宽度变化的特点,发现在近共振区等离子体波激发出现增强。通过准静态近似下尾波激发的一维非线性方程数值求解,并与粒子模拟结果比较,得到了该非线性方程的适用范围当激光脉冲宽度小于等离子体波波长的4倍时,该方程所得结果与粒子模拟结果一致;而当激光脉冲宽度大于该数值时,该方程不再适用。