超短超强激光脉冲在空气中长距离传输的研究进展

介绍了超短超强激光脉冲在空气中长距离传输的最新研究进展 ,并分析了目前该项研究的几种理论模型 ,重点介绍了动态空间补给模型所给出的耦合方程及其研究结果 。

相向超短超强激光脉冲与中间薄膜靶相互作用产生快电子的模型

该文研究的是两束相向超短超强激光脉冲与中间薄膜靶相互作用之后产生快电子的一种简单自洽模型理论 .由理论推知 ,当满足一定条件时 ,由于激光有质动力与靶电子的谐振作用 。

紧聚焦的超短超强激光脉冲在真空中加速斜入射的相对论电子

研究了紧聚焦的线偏振飞秒超强高斯激光脉冲俘获并剧烈加速斜入射低能相对论电子的效应,发现被俘获的电子在激光脉冲纵向有质动力的强大加速作用下,可以获得GeV量级的能量,并详细研究了入射电子的初能量、斜入射角、电子与激光脉冲的相对延迟时间和激光脉冲宽度等条件对电子能量增益的影响,发现当激光脉宽超过10λ时,脉宽对电子能量增益影响不大.

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 2D3VPIC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。

330TW SILEX-I超短超强脉冲激光装置

超强超短脉冲激光能够在实验室中创造前所未有的极端物态条件，如数百倍于氢原子基态库仑场的超强电场、10^9Gs的超强磁场、10^9K的黑体辐射（远高于太阳中心的温度）、10^11MPa压强、10^23g的加速度、接近光速的电子振荡速度等。这种极端物态条件开辟了许多崭新的交叉学科领域，对材料科学、等离子体物理、原子核物理、相对论物理、凝聚态物理、加速器物理、天体物理、高能物理等带来难得的机遇及进一步拓展的空间。在强场激光物理研究领域，如高次谐波的产生，强场原子、分子物理，超快X射线辐射、超短波长x射线激光以及小型化高能粒子加速都需要超短超强激光脉冲。

百太瓦级超短超强钛宝石激光装置研制

近年来，随着相关领域的发展,尤其是啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification．CPA）技术的出现，使得超短脉冲激光的峰值功率的进一步提高，输出功率已能达到百TW或PW以上，聚焦功率密度可达到10^2W／cm^2.CPA技术的基本思路是将非常窄的种子光脉冲在时域上展宽，然后在放大器中充分的提取能量，最后将激光脉冲压缩到接近初始的脉冲宽度．从而获得极高的峰值功率，如图1所示如此超高强度的激光脉冲，可以创造极端的物态条件，用于研究相对论领域的光与物质相互作用，如超快x光激光产生、超高次谐波产生、激光尾波场粒子加速、实验室天体物理学及快点火机制等。随着超短超强脉冲激光装置性能的提高和研究工作的进一步深入，超短超强脉冲激光将会在军事、科技和民用方面呈现广阔的应用前景。

正弦三角激光脉冲尾场加速正电子模拟

为了研究正弦三角激光脉冲和低密度的等离子体相互作用时加速正电子的运动,采用数值模拟方法进行了数值计算,得到了被加速正电子的动能。结果表明,由于正弦三角激光脉冲激发产生的Raman散射原因,使得被尾场捕获的正电子数增多及相应的初速度增大;非对称正弦三角脉冲的前沿比对称正弦三角脉冲更陡,具有更强的有质动力势,能够产生更强的尾场,因此非对称正弦三角激光脉冲比对称激光脉冲驱动尾场中正电子的能量高。该研究结果说明,非对称正弦三角激光脉冲能够有效地提高正电子的加速效果。

不同激光脉冲驱动的尾场中正电子加速的研究

为了研究在激光驱动的尾场中被加速正电子的动能,采用数值模拟方法,得到了非对称sine脉冲、flat-top脉冲和Gaussian脉冲驱动的尾场中被加速的正电子的能量。结果表明,非对称sine脉冲驱动尾场中正电子得到的能量比flat-top脉冲和Gaussian脉冲驱动尾场中得到的能量高一些。

超短超强激光驱动新型粒子加速器:机遇和挑战

2018年诺贝尔物理学奖授予了因发明"光学镊子"和"啁啾激光脉冲放大"两项重大技术的3位科学家。其中啁啾激光脉冲放大技术使得人们在实验室获得了前所未有的超短超强激光脉冲。文章简要介绍了由超短超强激光开拓的新兴科学前沿,特别是这种强激光技术推动下的新型粒子加速器研究的发展、机遇和挑战。

对超短脉冲激光与固体密度等离子体相互作用动力学过程的研究

结合Saha方程 ,建立了一个超短脉冲激光与固体密度等离子体相互作用的动力学过程中电子温度和电子密度随时间变化的简单模型 .在降温过程中采用绝热膨胀模型 ,讨论了等离子体在绝热膨胀过程中的特殊性质 ,考虑了离子声速随温度的变化 ,推算了状态演化过程 ,得到了电离度随时间变化的演化规律 .

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。

用作飞秒脉冲展宽器的新型多膜光栅的设计

采用薄膜光学技术,在传统反射式闪耀光栅的表面镀以多层薄膜以改善传统光栅的衍射特性和反射特性,用于控制展宽后脉冲的光谱强度分布,以及控制超短脉冲放大过程中的增益窄化效应。理论计算和实验表明,应用多膜反射式闪耀光栅作为展宽器件,种子脉冲的能量损耗小、展宽效率高,且放大过程中的增益窄化效应得到很好的补偿,另外,采用多膜反射式闪耀光栅还有方便实验调节,简化CPA系统,便于集成化的优点。

强激光与等离子体相互作用中沿靶表面发射的高能超热电子

在强激光与等离子体相互作用研究中,文章作者从实验上首次观测到沿靶面方向发射的高能超热电子束.该电子束只有在等离子体电子密度标长较短的条件下才会出现.数值模拟表明,靶表面电磁场的约束作用是产生这束电子的主要原因.这一结果有助于加深对激光惯性约束聚变快点火实验中的锥靶物理过程的理解,并有潜在的应用前景.

激光极化态对激光等离子体中电子所受有质动力的影响

从理论上研究了线极化和圆极化超短超强激光脉冲对激光等离子体中电子所受有质动力的影响,得到了相应的解析表达式;通过单电子模型,比较了两种极化态的激光电场有质动力对电子纵向速度的影响.结果表明,线极化激光电场有质动力由于其振荡分量的存在要比圆极化对电子的加热更有效;电子因受振荡分量的作用而剧烈振荡,形成一个很强的纵向振荡静电场,产生静电场有质动力.

光参量啁啾脉冲放大增益特性研究

通过对非线性三波耦合方程组进行数值求解 ,研究了光参量放大 (OPA)的增益特性及饱和放大特性。给出了泵浦光、信号光参数对参量增益的影响及其与晶体饱和长度的关系。结果表明 :OPA具有传统啁啾脉冲放大 (CPA)系统所不具有的优点 ,将有可能取代传统的 CPA系统而作为超短超强激光系统的新型前端。

激光等离子体作用中质子加速的数值模拟

为了研究激光等离子体相互作用中的高能质子加速的性质,运用二维PIC数值模拟法对质子束及其能量的分布情况进行了数值模拟。简单地介绍了靶背鞘层加速机制(TNSA)及其对高能质子加速性质的作用,通过对比质子束在薄靶背面发散角度的理论值和数值模拟结果,分析了质子束的传播特征。结果表明,被加速的高能质子速度越快其聚集性越好。

激光尾场中被加速电子的动能研究

为了研究在激光驱动的尾场中被加速电子的动能,采用粒子模拟方法,得到了决定电子最大动能的尾场势的最大值和最小值,讨论了等离子体尾波静电势的最大值和最小值及其与激光脉冲长度和强度之间的关系。结果表明,捕获电子最大能量与脉冲激光强度成正比,激光脉冲长度是激光波长的10倍时电子获得的能量最大。

非对称激光等离子体尾场中被加速电子的模拟

为了研究在激光驱动的等离子体尾场中被加速电子的动力学,采用数值模拟方法得到了非对称脉冲驱动的尾波场中被加速的电子的运动相图、密度分布及势能。结果表明,非对称激光脉冲驱动尾场中电子得到很高的能量。在非对称激光脉冲驱动的激光尾场中,为了有效地加速电子,要选择恰当的上升激光脉冲长度和下降激光脉冲长度。

对称和非对称激光尾场中被加速正电子的研究

为了研究在激光驱动的尾场中被加速正电子的动能,采用数值模拟方法,得到了在对称高斯脉冲和非对称高斯脉冲驱动的尾波场中被加速的正电子的能量。结果表明,非对称高斯脉冲驱动尾场中的正电子的能量比对称高斯脉冲驱动尾场中的正电子的能量高。

激光尾波场加速器中反向注入激光脉冲参数对电子注入的影响

通过数值模拟和理论分析，研究了由两反向传播的激光脉冲在稀薄等离子体中的相互作用造成的向激光尾波场中注入电子的物理过程，并讨论了两激光脉冲参数对注入电子数目的影响．通常注入脉冲的强度可以远小于产生尾波场的主脉冲强度．当注入脉冲为中等强度时，注入电子数首先随注入脉冲宽度的增加而增加，直到注入脉冲宽度达到某个临界值后，注入电子数饱和．当减小注入脉冲强度时，为了产生电子注入，相应的主脉冲强度应该提高．此时注入脉冲仅能轻微地影响主脉冲的尾波场，注入电子数随注入脉冲宽度的增加而持续增加，直到尾波场能够承受的捕获电子数目极限．