利用高能电子流影响自导透明进行激光脉冲整形研究

摘要

微介观结构的在线诊断一直是材料动态响应研究的重要挑战。飞速发展的强激光技术为实现这方面的研究提供了可行的技术途径。在这种技术中，利用激光驱动的X射线可以探测材料微介观结构的超快过程。可以利用X射线散射技术去穿透稠密或压缩物质，对物质的压缩状态，如基础热力学特征量相变、新物态等进行测量;也可以利用X射线衍射技术去探测材料的晶体结构;还可以直接用X射线对激光压缩等离子体形成的冲击前沿进行密度成像。总之，激光驱动的X射线，可以使我们对材料在动态响应过程中发生的微介观结构改变进行更好的理解，对研究材料的物态方程、晶体结构等都提供了一种新的实验手段。
　　对基于强激光技术的材料动态微介观诊断研究，超短强激光脉冲与过密等离子体相互作用提供了一种新的超快X射线源。相对于同步辐射光源的巨大投资与大体积、相对长的脉冲结构和X射线的多色性以及相对于自由电子X射线激光器的造价昂贵而言，超短强激光脉冲与过密等离子体相互作用提供的超快X射线源具有体积小、成本低、亚皮秒脉冲持续时间、单色性好等特点，因此在实验室和医学诊断中具有广泛的应用。
　　对材料进行动态超快诊断需要足够多的X射线光子量，而这正是目前激光驱动X射线源面临的难题，如Kα线X射线转化效率目前只有10-5。提高X射线产额的方式有很多种，但从原理上说，基本可以分为优化激光脉冲和优化靶结构。对于优化靶结构，可以采用锥形靶等特殊几何构型，减小靶对X射线的吸收，并且可以提高X射线的聚焦度;也可以对靶表面进行改性，如纳米须靶，提高靶对激光的吸收率，增加超热电子数目，从而提高X射线产额。
　　优化激光脉冲，则是另一种重要的提高X射线辐射产额的方法。激光与物质相互作用过程中，激光预脉冲将物质表面电离，激光预脉冲和主脉冲上升前沿对预先电离的等离子体的密度构型起着决定性作用，而等离子体的密度构型是决定激光-等离子体相互作用机制的关键因素，如影响吸收机制等。因此，要提高激光驱动超快X射线源的转换效率，就必须实现对等离子体的控制，即控制激光预脉冲和上升前沿。
　　过密等离子体的自导透明特性，为控制激光的预脉冲和上升前沿提供了一种新的技术途径。我们利用粒子模拟程序研究发现，高能电子回流能够影响自导透明。我们将高能电子回流的影响扩展至高能电子流，利用高能电子流对过密等离子体自导透明的影响来对激光脉冲进行整形，实现对激光预脉冲和上升前沿的控制，从而能够达到准确控制等离子体密度梯度，提高超热电子的吸能效率，进而提高激光驱动超快X射线源转换效率的目的。
　　本文首先介绍了激光驱动超快X射线源的产生机理及优化X射线源的方法，并提出利用过密等离子体自导透明来控制激光脉冲形状进而提高X射线产额。我们因此接着介绍了过密等离子体的自导透明，然后研究了高能电子回流对自导透明的影响，并将高能电子回流的影响扩展至高能电子流，利用高能电子流对等离子体自导透明的影响来对激光脉冲进行整形，从而实现了对激光预脉冲和上升前沿的控制。本文的主要研究结果和创新点如下:
　　(1)首次发现了高能电子回流可以影响过密等离子体自导透明，使低于自导透明阈值强度的激光能够穿透进过密等离子体薄靶。分析认为，激光压缩表面等离子体形成的电子密度峰阻止了激光向等离子体中的穿透，而高能电子回流到达等离子体靶前表面时产生的库伦排斥力使电子密度峰处的电子膨胀，峰值密度下降，从而使激光开始穿透进初始不透明的等离子体。
　　(2)研究发现高能电子流同样可以影响过密等离子体自导透明，其对自导透明的物理影响机制跟高能电子回流的一致。
　　(3)利用上述高能电子流及其回流对过密等离子体自导透明的影响，通过控制高能电子流导致激光穿透的时间来截断激光脉冲，得到具有高对比度和陡峭上升前沿的透射激光脉冲。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 基于强激光技术的材料动态微介观诊断研究

1．2 超快X射线源的产生

1．2．1 超热电子的产生

1．2．2 超热电子产生X射线

1．2．3 提高X射线产额的方式

1．3 利用自导透明对激光整形提高X射线产额

1．4 文献研究总结及评价

1．5 论文的研究思路及工作框架

第二章 过密等离子体的自导透明

2．1 过密等离子体自导透明的基本理论

2．2 自导透明的研究现状

2．3 过密等离子体自导透明的模拟研究

2．3．1 模拟方法

2．3．2 模拟结果

2．4 本章小结

第三章 高能电子回流对过密等离子体自导透明的影响研究

3．1 离子固定时高能电子回流增强自导透明

3．2 高能电子回流的产生输运过程及其对自导透明的影响机制

3．2．1 高能电子回流的产生输运过程

3．2．2 高能电子回流对自导透明的影响机制

3．3 离子自由时和更高密度等离子体时高能电子回流对自导透明的影响

3．4 本章小结

第四章 利用高能电子流影响自导透明进行激光脉冲整形

4．1 激光脉冲整形的研究现状

4．1．1 抑制激光预脉冲

4．1．2 陡峭前沿激光脉冲

4．1．3 准单周期脉冲

4．2 高能电子流对自导透明的影响

4．2．1 不同等离子体厚度时高能电子流对自导透明的影响

4．2．2 不同入射时间的高能电子流对自导透明的影响

4．2．3 不同强度的高能电子流对自导透明的影响

4．3 利用高能电子流影响自导透明进行激光脉冲整形

4．4 本章小结

第五章 全文总结与展望

5．1 全文总结

5．2 主要创新点

5．3 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢