超強激光驅(qū)動離子加速的理論和數(shù)值模擬研究.pdf

1、隨著激光技術(shù)的進步尤其是啁啾脈沖放大(Chirped Pulse Amplification, CPA)技術(shù)的發(fā)明,使人類可以在實驗室里獲得前所未有的超強光場條件,這極大地拓寬了光與物質(zhì)相互作用的研究領(lǐng)域,進入到強相對論非線性光學(xué)。這一領(lǐng)域有著十分豐富的研究內(nèi)容,諸如激光電子加速、激光離子加速、高次諧波與阿秒脈沖產(chǎn)生、激光核物理,甚至非線性真空物理等等。研究的應(yīng)用前景也十分廣闊,不僅能為人們提供高能粒子源,高能輻射源,還為人們探測超快物

2、理現(xiàn)象打開了未知的大門。在激光物質(zhì)相互作用眾多的研究分支中,激光離子加速最依賴于也最受惠于激光光強的迅速提高。由于離子的質(zhì)量相比于電子要大得多,因此對其的加速也比電子困難得多。迄今人們提出了激光驅(qū)動離子加速的一些機制,如靶后法向鞘層加速(TNSA)、輻射壓加速(RPA)、介于上述兩者之間的所謂BOA機制、無碰撞靜電沖擊波加速等。但這些加速機制存在著最大離子能量低、單能性差,加速所得離子能量轉(zhuǎn)化效率低、或者對激光參數(shù)的要求極高以至于難以在

3、實驗室實現(xiàn)等問題,與實際應(yīng)用要求還存在著較大差距,亟須提出實用的方案,獲得具有實用性的高品質(zhì)離子束。本文研究了激光離子加速的主要理論機制,從激光直接加速離子、激光與固體密度等離子體靶相互作用、新型固體靶設(shè)計等角度提出了多種加速方案。主要工作如下：
　　⑴基于平面波角譜分析方法,提出精確滿足Maxwell方程組的矢量光場解析解。將這個解用于描述徑向極化Laguerre-Gaussian激光場,發(fā)現(xiàn)當激光束腰半徑小于波長時,我們的解所

4、得到的縱向電場可以顯著大于橫向電場。結(jié)合我們的方法,利用泰勒級數(shù)展開得到緊聚焦少周期徑向極化激光脈沖在真空中傳播的解析解。與先前已經(jīng)大量研究的基于傍軸近似的解描述激光脈沖相比較,無論光束束腰半徑較小或者較大(與波長相比較)都有著顯著的不同。利用我們的解對徑向極化少周期激光脈沖的電子加速進行研究,發(fā)現(xiàn)我們的解得到的電子能量顯著大于采用傍軸近似解所得到的結(jié)果。
　?、评蒙弦徽碌姆椒ǖ玫骄o聚焦徑向極化啁啾激光脈沖的解析解,研究徑向極化

5、啁啾強激光脈沖對質(zhì)子進行直接加速,發(fā)現(xiàn)在該種激光脈沖中加入合適的負啁啾可以有效地對質(zhì)子進行直接加速。在激光強度約為1022W/cm2,入射質(zhì)子能量為45MeV時,經(jīng)過激光加速獲得的能量達到近GeV。
　?、悄壳按蟛糠值碾x子加速實驗都是基于TNSA機制。該機制的主要問題是加速效率低(目前最大的質(zhì)子能量是60MeV左右),同時能譜大多是連續(xù)的。針對這些問題,本論文提出一種基于激光固體靶相互作用的兩階段質(zhì)子加速方案,并提出了相應(yīng)的實現(xiàn)此

6、方案的靶設(shè)計。靶由三部分組成,前端是錐形內(nèi)壁圓筒;中間是連接前后端的豎直平面靶;后端是中心呈錐狀凹陷,周圍呈斜坡狀的特殊結(jié)構(gòu),用于粘附富含氫的材料,含氫材料也相應(yīng)地分為兩部分,即中心錐狀部分和周圍盤形部分。采用該靶設(shè)計,質(zhì)子加速過程明顯地分為兩個階段,在第一階段,兩部分含氫材料的質(zhì)子都由于TNSA機制得到加速,中心部分質(zhì)子沿激光傳播軸方向運動,周圍部分質(zhì)子在沿軸加速的同時向軸中心匯聚。在第二階段,向軸中心匯聚的周圍部分質(zhì)子對中心部分質(zhì)子

7、產(chǎn)生徑向壓縮和前向推動的作用,從而使中心部分質(zhì)子的快速頭部得到進一步的加速,并由此形成高品質(zhì)的單能質(zhì)子束。二維 PIC模擬結(jié)果表明,用脈寬80fs,聚焦強度3.1×1020W/cm2的激光脈沖可以產(chǎn)生最大能量250MeV,能散度17％的準單能質(zhì)子束。三維 PIC模擬表明,同等條件下,由于線偏振激光的電子各向異性加熱效應(yīng),質(zhì)子的最大能量降低為約112MeV,但同時能散度得到極大的改善,約為3%。論文給出了這種靶設(shè)計下質(zhì)子能量與激光強度、靶

8、密度關(guān)系的定標率。
　?、韧ǔ］椛鋲杭铀?RPA)機制所需激光強度在1023W/cm2以上。同時RPA機制常常受制于加速過程中存在的類Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性,后者使加速過程比較快地終止。針對這一問題,本論文提出一種基于RPA機制的獲得高品質(zhì)質(zhì)子束的雙拋物面靶設(shè)計(Dual Parabola Target, DPT)。靶由內(nèi)壁呈拋物面形的邊沿靶(Side Target, ST)和前表面呈拋物面形的中間靶(Middle

9、 Target, MT)組成,且MT拋物面的焦點沿靶整體中心軸遠離ST拋物面的焦點。在采用平面靶的情況下,類Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性的橫向分布呈高斯型,這不利于靶中間區(qū)域形成有效的光壓加速。而在采用DPT靶的情況下,激光脈沖邊緣部分被ST靶拋物面內(nèi)壁反射聚焦斜入射到MT靶兩翼區(qū)域,使兩翼區(qū)域質(zhì)子能量高于中間區(qū)域,這有效地保護了中間區(qū)域,使其形成有效的光壓加速。且這一效應(yīng)顯著降低了對激光強度的要求。2D和3D PIC模擬結(jié)果

10、表明,采用脈寬66fs,聚焦光強2129.9′10 W/cm的圓偏振激光脈沖可以產(chǎn)生峰值能量為262MeV,能散~13%的準單能質(zhì)子束。
　?、衫昧Ｗ幽M(PIC)程序?qū)€偏振強激光脈沖與固體靶相互作用的質(zhì)子加速過程的高維效應(yīng)進行了研究,通過一維(1D),二維(2D),三維(3D)模擬檢驗?zāi)M中的空間幾何效應(yīng)。三維模擬表明,在使用較厚靶(激光不能透過靶)的情況下,電子在靶后兩個橫向上的擴散幾乎相同,而在使用較薄靶(激光能透過靶)