激光等离子体加速机制研究综述

1、激光等离子体加速机制研究综述1研究现状随着激光技术的发展，激光强度不断增强，脉宽不断缩短，对激光 等离子体相互作用的研究开辟出了许多新的领域。 激光与等离子体相 互作用与激光的强度、波长、脉宽，等离子体状态参数（最主要是密 度）密切相关。随着激光强度变大，开始是线性响应，然后随着激光 不断增强，非线性效应和相对论效应开始占主导。当强度超过 1018W/cm2电子的相对论效应必须考虑，加剧了理论研究难度但也催 生了更多的物理现象产生。比如非线性波跛、超高能粒子产生、相对 论孤子和涡旋。而根据等离子体的密度不同，激光与等离子体作用可 以分为稀薄等离子体（同气体靶作用）和稠密等离子体（同液、固体 作

2、用）。对于1微米的激光，能在等离子体中传播的临界密度是1.1x 1021cm-3,介于气体密度与固液密度之间。激光脉宽的减小使得激 光等离子体相互作用出现新的物理现象。fs级别的脉宽，对稀薄等离 子体可以通过直接的LWFA来加速电子。超短超强激光驱动电子等 离子体加速电子，可获得能量高达 1GeV、电荷接近1氏、方向性优 良、能散度小的高性能电子束，从而在高能加速器、聚变物理、短脉 冲高亮度X光源产生、实现小型化自由电子激光等领域都有重大的 应用价值。研究激光同等离子体如何作用及粒子加速的机制具有非常 重要的意义与价值。() M'Eflu 呂=pasnoo 丄图1、激光强度在CPA技术

3、突破后大幅增强首先，激光同等离子体作用的第一步是材料对激光的吸收，除了普通的逆轫致吸收和共振吸收，在高强度相对论激光还有很多吸收机 制，比如真空加热，JX B加热，有质动力直接加速离子，鞘场加速 等等，下面根据加速粒子不同逐一介绍各种加速机制1979年,Tajima和Dawson提出用强激光脉冲激发等离子体波来加 速电子的机制，这就是直接激光尾场加速（LWFA），原理是超强 超短激光脉冲在稀薄等离子体中传播时，纵向的非线性力一一有质动 力件二-q2Va02/4mw2）将电子推开，共振激发出等离子体波（尾波场）。 很大的振幅和相速度使得尾波场可以在短距离内将电子加速到高能 量。后续又有人提出了各

4、种激光激发等离子体波加速电子的理论方 案，比如等离子体拍频波加速（PBWA） 2，自调制激光尾波加速（SM-LWFA） 3和多脉冲激光共振加速（MP-LWFA ）。但由于受 激光技术的限制，大多只能进行理论研究，后来基于啁啾脉冲放大技 术CPA的紧凑T瓦级激光系统的出现，fs级别的超强激光脉冲的产 生使得人们对LWFA单个激光脉冲直接直接加速的研究又有了进展。 2002年，Pukhov和Merter提出了空泡加速机制，后续又有人发展了三 维的空泡加速的非线性理论并给出了定表关系。 人们还广泛研究了等 离子体通道形成、激光脉冲的自导引、和电子注入机制等。近年来等离子研究的活跃领域是激光等离子体相

5、互作用下的离子 加速，因为有广泛的潜在应用，诸如离子束治疗癌症，质子束照相， 惯性约束聚变中的快点火等。高能离子束能从强激光脉冲与薄靶相互 作用得到。粒子网格模拟和分析发现超薄等离子体中的辐射压力加速 能产生大量的高能离子。线性调频脉冲放大技术的发展使得激光强度 峰值达到I1022W/cm2，并且电子对比率超过1010,实现了在RPA机 制下产生高能量密度离子。由于离子质量相比电子很大，有质动力只 有相同情况下电子的千分之一不到，在现有激光强度下无法直接加 速，也无法再尾波场中加速。但是激光的能量可以通过各种机制有效 的转换成电子的热能和动能，而通过这些高能电子集体运动的效应， 就可以产生各种

6、不同的离子加速机制，根据激光强度、脉宽、等离子 体密度分布、厚度与形状等参数的不同，可以分为激波加速 、鞘场 加速、辐射压力加速等。F面是一个离子加速的示意图无碰撞静电激波加速（CESA）是中等强度的激光在一定密度等离 子体内传播激发了一个静电激波，它可以把离子反射出去实现加速作 用。最先是Denavit等通过计算机模拟发现的，后来 Sliva、Sorasio Wei等都各自在不同模拟与实验中发展证实了这种机制。鞘场加速（TNSA）是激光与固体靶作用，加热产生 MeV的热电 子，它们穿过固体靶在靶后形成一个鞘层电场， 使得鞘背原子电离并 将电离出的离子加速到很高能量，不过这种机制下能量装换效率

7、低 下，离子不具有单能性。激光辐射压力加速（RPA）是超强激光打在薄靶上，激光的有质动 力将电子压缩为一个高密度的电子薄层，产生一个很强的电荷分离场 将离子拉动，这个过程反复进行使得整个薄靶被加速到很高能量，效率高且加速离子单能性较好。相比其他机制需要更大的激光强度与非 常好的对比度，使得实验上比较困难。2009年Henig等人在较低激光强度的实验下证实了这种机制。在过去的几年里，圆偏振（CP）激光被广泛应用于RPA机制中来获得准单能离子束，因为有质动力 没有振荡项，使得热电子的J七效应大大降低，线性偏振（LP）激 光或则斜入射的圆偏振激光同样也有这种效果。 一维的PIC模拟显示 CP激光和薄

8、靶相互作用能产生高度单能的离子束。但是，多维的粒 子模拟表明一个厚靶在激光作用下迅速变形成一个抛物线型的袋口 使得大部分激光变成斜入射到靶袋内壁，产生了大量的电子加热。由于靶袋的缘故，等离子密度大大减小，导致等离子体不均匀或破裂的 横向瑞利-泰勒或韦伯不稳定性也会发生，从而限制了RPA产生的离子束的品质。迄今为止，很多种方案已经被提出来改善加速离子的光 谱，包括使用平顶的或超高强度的激光，特制的薄靶结构等。基于激光等离子体相互作用过程的电磁波辐射源，如X射线源、阿秒脉冲、高次谐波8和太赫兹辐射9等。阿秒脉冲（10-18s）是原子核 尺度上的电子动力学时间单位，阿秒脉冲的激光脉冲持续时间很短，

9、需要短波辐射，可以由超短激光脉冲与气体或则等离子体的非线性光 学作用产生，机制主要是高次谐波的产生。原理可以分为三步，在强 电磁场作用下气体首先经历场电离的过程，随后电磁场翻转最后电子与离子重新结合发出单个高频率的光子。这个机制先是由Shore和Knight在1987年提出，后来被 McPherson等人实验证实。太赫兹辐射（1012Hz）,波长300微米，具备短脉冲、宽频谱、低 能量、咼透射性、吸水性、瞬态性、相干性等，在成像、探测方面有 广阔应用前景。1993年，H.Hamster等人最先强激光与气体和固体密度的等离子体相互作用在实验上观测到了相干的THz辐射。机制可以用有质动力驱动电子振

10、荡、 电子的transition-Cherenkov发射、电离 电流等模型来解释，对更强的激光脉冲， She ng等人提出了非均匀稀 薄等离子体中激光激发的静电波通过线性模式转化产生THz辐射的机制。2存在的问题与展望对于目前的强激光等离子体相互作用实验来说， 一方面实验成本很 高，另一方面在现有的实验仪器与测量手段的限制下，很多相关的物理问题并不可能进行实验研究，或者实验研究很困难。同时对于一些 新颖的想法也很难有实验条件去验证。由于非线性效应的出现并在强 激光下占主导地位，传统的线性理论受到极大限制，虽然我们知道激 光与等离子体相互作用的基本物理规律， 但一个涉及到波与波、波与 粒子、粒子

11、与粒子的多模多粒子的强非线性体系、 想对其进行进行非 线性的理论解析不切实际。不过，通过高速发展的计算机进行数值模拟， 我们又找到了研究强 激光加速等离子体的机制的方法。计算机模拟就是根据已有的物理定 律，对研究的问题建立模型构建方程组， 通过数值求解的方法对物体 的各种物理行为进行研究。虚拟实验不久可以反映实验问题还能测量 到很多实验中很难测量的物理量， 对实验反而有指导意义。等离子体 数值模拟分为流体模拟和动力学模拟混合等离子体粒子模拟与磁流 体模拟方法可以构成一种混合模拟程序。参考文献1 T.Tajima ,1979,43:267-270.2 ,P.Sprangle and of the

12、 plasma waves in the laserbeat-wave ,1984,45:375.3 and of Plasma Waves by an Electromagnetic Wave ,1987,66:290.4 D.Umstadter,E.Esarey,a nd J.Kim. Non li near Plasma Wave Resonan tlyDriven by Optimized Laser Pulse ,1994,72:1224.5 of high-i nten sitysubpicosec ondlasers on solidden sity ,1992,69:3052.

13、,M .R oth,M.Si ngh,S.Hatchett,M.H.Key,D.Pe nnin gto n,A.MacKi nnon,and Prot on ge- n erati oninultra-i ntense laser-solid ,2001,8:542.7 Vehicle Propelled By Terrestrial Laser Beam.Nature,1966,211:22.8 perspective on strong field multiphot on ioni zatio-,1993,71:1994-1997.9 H.Hamster,A,Sulliva n,S.Gordo n,W.White,a ndeco nd lasers on solid den sity ,1993,71:2725-2728.仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen fdierStForschung, zu kommerziellen Zwecken verwen