超强激光驱动离子加速的理论和数值模拟研究

摘要

随着激光技术的进步尤其是啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification, CPA)技术的发明,使人类可以在实验室里获得前所未有的超强光场条件,这极大地拓宽了光与物质相互作用的研究领域,进入到强相对论非线性光学。这一领域有着十分丰富的研究内容,诸如激光电子加速、激光离子加速、高次谐波与阿秒脉冲产生、激光核物理,甚至非线性真空物理等等。研究的应用前景也十分广阔,不仅能为人们提供高能粒子源,高能辐射源,还为人们探测超快物理现象打开了未知的大门。在激光物质相互作用众多的研究分支中,激光离子加速最依赖于也最受惠于激光光强的迅速提高。由于离子的质量相比于电子要大得多,因此对其的加速也比电子困难得多。迄今人们提出了激光驱动离子加速的一些机制,如靶后法向鞘层加速(TNSA)、辐射压加速(RPA)、介于上述两者之间的所谓BOA机制、无碰撞静电冲击波加速等。但这些加速机制存在着最大离子能量低、单能性差,加速所得离子能量转化效率低、或者对激光参数的要求极高以至于难以在实验室实现等问题,与实际应用要求还存在着较大差距,亟须提出实用的方案,获得具有实用性的高品质离子束。本文研究了激光离子加速的主要理论机制,从激光直接加速离子、激光与固体密度等离子体靶相互作用、新型固体靶设计等角度提出了多种加速方案。主要工作如下：
　　⑴基于平面波角谱分析方法,提出精确满足Maxwell方程组的矢量光场解析解。将这个解用于描述径向极化Laguerre-Gaussian激光场,发现当激光束腰半径小于波长时,我们的解所得到的纵向电场可以显著大于横向电场。结合我们的方法,利用泰勒级数展开得到紧聚焦少周期径向极化激光脉冲在真空中传播的解析解。与先前已经大量研究的基于傍轴近似的解描述激光脉冲相比较,无论光束束腰半径较小或者较大(与波长相比较)都有着显著的不同。利用我们的解对径向极化少周期激光脉冲的电子加速进行研究,发现我们的解得到的电子能量显著大于采用傍轴近似解所得到的结果。
　　⑵利用上一章的方法得到紧聚焦径向极化啁啾激光脉冲的解析解,研究径向极化啁啾强激光脉冲对质子进行直接加速,发现在该种激光脉冲中加入合适的负啁啾可以有效地对质子进行直接加速。在激光强度约为1022W/cm2,入射质子能量为45MeV时,经过激光加速获得的能量达到近GeV。
　　⑶目前大部分的离子加速实验都是基于TNSA机制。该机制的主要问题是加速效率低(目前最大的质子能量是60MeV左右),同时能谱大多是连续的。针对这些问题,本论文提出一种基于激光固体靶相互作用的两阶段质子加速方案,并提出了相应的实现此方案的靶设计。靶由三部分组成,前端是锥形内壁圆筒;中间是连接前后端的竖直平面靶;后端是中心呈锥状凹陷,周围呈斜坡状的特殊结构,用于粘附富含氢的材料,含氢材料也相应地分为两部分,即中心锥状部分和周围盘形部分。采用该靶设计,质子加速过程明显地分为两个阶段,在第一阶段,两部分含氢材料的质子都由于TNSA机制得到加速,中心部分质子沿激光传播轴方向运动,周围部分质子在沿轴加速的同时向轴中心汇聚。在第二阶段,向轴中心汇聚的周围部分质子对中心部分质子产生径向压缩和前向推动的作用,从而使中心部分质子的快速头部得到进一步的加速,并由此形成高品质的单能质子束。二维 PIC模拟结果表明,用脉宽80fs,聚焦强度3.1×1020W/cm2的激光脉冲可以产生最大能量250MeV,能散度17％的准单能质子束。三维 PIC模拟表明,同等条件下,由于线偏振激光的电子各向异性加热效应,质子的最大能量降低为约112MeV,但同时能散度得到极大的改善,约为3%。论文给出了这种靶设计下质子能量与激光强度、靶密度关系的定标率。
　　⑷通常辐射压加速(RPA)机制所需激光强度在1023W/cm2以上。同时RPA机制常常受制于加速过程中存在的类Rayleigh-Taylor不稳定性,后者使加速过程比较快地终止。针对这一问题,本论文提出一种基于RPA机制的获得高品质质子束的双抛物面靶设计(Dual Parabola Target, DPT)。靶由内壁呈抛物面形的边沿靶(Side Target, ST)和前表面呈抛物面形的中间靶(Middle Target, MT)组成,且MT抛物面的焦点沿靶整体中心轴远离ST抛物面的焦点。在采用平面靶的情况下,类Rayleigh-Taylor不稳定性的横向分布呈高斯型,这不利于靶中间区域形成有效的光压加速。而在采用DPT靶的情况下,激光脉冲边缘部分被ST靶抛物面内壁反射聚焦斜入射到MT靶两翼区域,使两翼区域质子能量高于中间区域,这有效地保护了中间区域,使其形成有效的光压加速。且这一效应显著降低了对激光强度的要求。2D和3D PIC模拟结果表明,采用脉宽66fs,聚焦光强2129.9′10 W/cm的圆偏振激光脉冲可以产生峰值能量为262MeV,能散~13%的准单能质子束。
　　⑸利用粒子模拟(PIC)程序对线偏振强激光脉冲与固体靶相互作用的质子加速过程的高维效应进行了研究,通过一维(1D),二维(2D),三维(3D)模拟检验模拟中的空间几何效应。三维模拟表明,在使用较厚靶(激光不能透过靶)的情况下,电子在靶后两个横向上的扩散几乎相同,而在使用较薄靶(激光能透过靶)的情况下,电子在垂直于激光偏振方向上比沿激光偏振方向上扩散得更快。电子的横向扩散效应强烈地减小了靶后高能电子密度。这使得不同空间维度的模拟得到不同的电子温度。通常,简化的1D和2D模拟得到的电子温度比实际3D模拟高很多,由此1D和2D模拟得到的最大质子能量分别是3D模拟结果的3倍和2倍。这说明无论是采用厚靶的TNSA机制,还是采用薄靶的RPA机制和BOA机制,在与实验进行比较时需要考虑3D效应。

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第一章 绪 论

1.1引言

1.2激光技术的发展

1.3激光等离子体物理研究领域

1.4激光等离子体物理研究方法

1.5电子动力学与激光有质动力

1.6激光与等离子体相互作用的基本物理结论

1.7激光离子加速机制概述

1.8论文内容安排

参考文献

第二章 基于平面波角谱分析的矢量光场精确解及其在电子加速中的应用

2.1引言

2.2获得矢量光场解的可选方法

2.3径向极化Laguerre-Gaussian场

2.4径向极化超短激光脉冲的非傍轴近似解

2.5径向极化激光脉冲的轴向电场

2.6径向极化激光电子加速

2.7亚周期径向极化激光脉冲的电子加速

2.8小结

参考文献

第三章 径向极化啁啾激光脉冲的质子加速

3.1引言

3.2径向极化啁啾激光脉冲

3.3径向极化啁啾激光脉冲的质子加速

3.4小结

参考文献

第四章 强激光与固体靶相互作用的两阶段质子加速方案

4.1引言

4.2靶设计及两阶段加速原理

4.3 PIC粒子模拟结果及分析

4.4小结

参考文献

第五章 强圆偏振激光与双抛物面靶相互作用质子加速

5.1引言

5.2双抛物面靶设计及其加速原理

5.3 PIC粒子模拟结果及分析

5.4分析与讨论

5.5小结

参考文献

第六章 强激光与固体靶相互作用质子加速的三维效应

6.1引言

6.2 PIC粒子模拟结果及分析

6.3小结

6.4参考文献

第七章 总结与展望

攻读博士学位期间发表学术论文、专利申请、荣誉

致谢