一种基于等离子体透镜的激光离子加速系统及其加速方法

摘要

本发明公开了一种基于等离子体透镜的激光离子加速系统及其加速方法。本发明的激光离子加速系统包括：激光脉冲以及靶；其中，激光脉冲包括激光主脉冲和激光预脉冲；靶沿激光脉冲的传播方向包括透镜部分和加速部分。本发明利用激光预脉冲与透镜部分相互作用产生临界密度等离子体，相对论强度激光主脉冲与临界密度等离子体相互作用，产生等离子体透镜并对激光主脉冲进行整形，提高激光主脉冲的峰值光强以及对比度，满足光压加速条件，激光主脉冲与加速部分相互作用，从而有效的实现离子束流加速的增强，提高离子束流能量和能散等参数。

说明书

技术领域

本发明涉及高能粒子加速技术，尤其涉及一种基于等离子体透镜的激光离子加速系统及 其加速方法。

背景技术

激光加速是一门新兴的加速器学科，利用强激光与物质相互作用，从而产生带电粒子束 流。与传统的加速器相比，激光加速的加速梯度高出三个数量级，体积较小。目前，激光加 速已经步入实验阶段，加速电子和离子都已经在实验中实现。激光加速电子已经取得了相当 的成绩，而激光加速离子相对发展缓慢，并且离子束流品质还有待进一步提高。 目前，激光加速是采用相对论光强(光强超过10¹⁸W/cm²)的飞秒(或皮秒)激光与μm(或 nm)厚度的金属等靶相互作用，来产生离子束流。激光以及靶的参数对于加速离子束流的品 质都有影响。

实验上一般基于靶后鞘层场加速理论，实现了激光离子加速，但是进一步提高束流品质 较难。2004年T.Esirkepov等人提出高效率的离子加速方案——光压加速机制。其利用强相对 论激光(光强超过10²⁰W/cm²)与纳米薄膜靶作用，在激光波前区域击穿薄膜靶。激光推动电 子离子薄层整体运动，激光被反射同时部分能量转化为等离子体能量，从而得到准单能的GeV 量级的离子束流。强相对论激光与薄膜靶作用，击穿层薄膜靶速度接近光速，且反射率R≈1， 实现非常好的离子单能性(离子能量集中分布)以及超高的激光到离子转换效率。然而，要实 现这种加速机制，需要满足一定的条件：第一、合适的靶厚度，最佳厚度处于激光的推动作 用和靶的静电分离相互平衡，同时刚好可以被激光穿透，当光强过高时，激光能量大部分穿 透靶，电子被激光推出而离子跟不上电子，则离子无法得到有效加速。当光强过低时，激光 也无法把靶做为一个整体来推动；第二、高性能的激光脉冲，主要指激光的对比度以及光强， 需要超高的对比度(优于10^-9)以保证薄膜靶在激光主脉冲到达之前不被破坏。预脉冲光强较 高(低对比度)很可能将薄膜靶完全破坏，无法形成稳定的加速结构。另一方面，光强达到 10²⁰W/cm²以上，光压加速基本假设才能得以满足。现有的激光技术很难同时满足光强、对比 度以及脉冲包络的需求。

预脉冲是实验室激光脉冲难以避免的重要的组成部分，位于激光主脉冲前端，光强低于 主脉冲几个数量级(该数量级一般为4～12)，持续时间在ns量级。预脉冲的产生主要是由于激 光放大过程中，激光增益介质的自发放大辐射。描述预脉冲的参数主要有：脉冲持续时间和 对比度。对比度是预脉冲和激光主脉冲的光强的比值。相对论强度激光的预脉冲对于激光离 子加速有重要的影响：预脉冲在主脉冲到达之前与薄膜靶相互作用，造成薄膜靶的烧蚀和变 形。烧蚀变形后的薄膜靶，由于其结构的改变直接影响了加速电场的稳定性，特别是对于纳 米厚度薄膜靶，预脉冲完全破坏其结构并直接导致加速结构无法形成。因此，目前激光加速 普遍采用的是激光与微米量级厚度的靶相互作用，以避免预脉冲的负面效果。

近年来，人们研究发现，强相对论激光在临界密度等离子体中传播时，由于激光脉冲改 变等离子体密度分布，等离子体的折射率受密度分布影响从而改变激光的传播，产生聚焦的 作用。当聚焦效果与激光传播的散焦效果相当时，激光稳定的传播，形成相对稳定的自适应 通道。在以上的调制作用中，激光脉冲光强和对比度得到提高，激光光束得到整形，光束品 质得到大幅度改善，足以满足与纳米薄膜靶相互作用的要求。整形后的激光结合纳米薄膜靶 可以极大提高激光加速的效率和离子束的品质。然而，目前激光脉冲整形的理论，研究了均 匀分布的临界密度等离子体中激光脉冲的整形，这是一种基于理想条件的理论研究，由于无 法控制以及操作性的问题，很难在实验中实现。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于等离子体透镜的激光离子加速 系统及其加速方法，使用激光预脉冲，烧蚀金属靶前表面，制备临界密度等离子体，并以此 实现激光脉冲整形并应用于后续离子加速，实现方法简单易行。

本发明的一个目的在于提供一种基于等离子体透镜的激光离子加速系统。

本发明的基于等离子体透镜的激光离子加速系统包括：激光脉冲以及靶；其中，激光脉 冲包括激光主脉冲和激光预脉冲；靶沿激光脉冲的传播方向包括透镜部分和加速部分，激光 预脉冲与靶的透镜部分相互作用，产生临界密度等离子体；激光主脉冲与临界密度等离子体 相互作用，产生等离子体透镜效应，对激光主脉冲聚焦整形；整形后的激光主脉冲满足光压 加速条件，与靶的加速部分相互作用，产生离子束流出射。

本发明通过激光预脉冲与靶的透镜部分作用产生临界密度等离子体，随后而至的激光主 脉冲与临界密度等离子体相互作用产生等离子体透镜效应，并产生强聚焦整形，该强聚焦相 对于激光本身强度而言提高3倍以上，与此同时产生高能量密度的电子束流。通过等离子体 透镜聚焦整形后的激光主脉冲，由于光强以及对比度均满足光压加速条件，因此与加速部分 相互作用产生离子束流，于此同时聚焦整形过程中产生的高品质的电子束流将进一步增强加 速效果。对于利用等离子体透镜的激光离子加速系统，激光聚焦以及高能量密度电子束流， 由临界密度等离子体的参数决定。技术核心在于临界密度等离子体的制备与控制，其密度的 分布直接决定了“透镜”对于激光主脉冲的整形效果，而且与激光主脉冲参数不匹配的等离 子体甚至对加速产生负面效应。因此通过激光预脉冲控制临界密度等离子体的参数，使其与 强相对论的激光主脉冲匹配，提高临界密度等离子体与激光主脉冲的能量耦合效率，从而最 终实现有效地增强离子束流加速。

靶的两部分采用均一的金属材料，原子数不小于13，如铝等；厚度在1～10μm之间。激 光预脉冲可以采用人为加入的激光烧蚀脉冲，或者也可以采用激光脉冲本底就具有激光预脉 冲；激光主脉冲的光强在10¹⁹W/cm²～10²²W/cm²之间，脉冲持续时间在10fs～100fs之间；激 光预脉冲的光强在10¹⁰W/cm²～10¹⁴W/cm²之间，持续时间在10ps～1ns之间。

以上是由预脉冲产生等离子体透镜的激光离子加速系统，本发明的激光离子加速系统中 的等离子体透镜还可以通过复合靶实现。

本发明的基于等离子体透镜的激光离子加速系统包括：激光脉冲以及靶；其中，激光脉 冲包括激光主脉冲和激光预脉冲；靶沿激光脉冲的传播方向包括透镜部分和加速部分，透镜 部分的密度为临界密度，激光主脉冲与靶的透镜部分相互作用，产生等离子体透镜效应，对 激光主脉冲聚焦整形；整形后的激光主脉冲满足光压加速条件，与靶的加速部分相互作用， 产生离子束流出射。

靶的两部分采用不同的材料，即复合靶，透镜部分采用碳纳米管阵列，加速部分采用类 晶刚石DLC纳米薄膜板；碳纳米管阵列的密度在0.01～0.1g/cm³，为临界密度，厚度在 10～100μm；类晶刚石DLC纳米薄膜板的厚度在5～100nm之间。激光主脉冲的光强在 10¹⁹W/cm²～10²²W/cm²之间，宽度在10fs～100fs之间；激光预脉冲不可避免，激光脉冲的对比 度要求高于10¹⁰,且对于不可避免的激光预脉冲的强度低于10¹²W/cm²，脉冲持续时间低于 ps，从而不会破坏靶的透镜部分。

本发明的另一个目的在于提供一种基于等离子体透镜的激光离子加速系统的加速方法。

本发明的基于等离子体透镜的激光离子加速系统的加速方法，包括以下步骤：

1)激光器发出激光脉冲，包括激光主脉冲和激光预脉冲，靶沿激光脉冲的传播方向包括 透镜部分和加速部分；

2)激光预脉冲与靶的透镜部分相互作用，产生临界密度等离子体；

3)激光主脉冲与临界密度等离子体相互作用，产生等离子体透镜效应，对激光主脉冲聚 焦整形，同时产生高能量密度的电子束流；

4)整形后的激光主脉冲满足光压加速条件，与靶的加速部分相互作用，产生离子束流出 射，聚焦整形的同时产生的高品质电子束流进一步增强加速效果。

其中，在步骤1)中，靶的两部分采用均一的金属材料；激光预脉冲可以采用人为加入 的激光烧蚀脉冲，或者也可以采用激光脉冲本底就具有激光预脉冲。靶的两部分采用均一的 金属材料，原子数不小于13，如铝等；厚度在1～10μm之间。激光预脉冲可以采用人为加入 的激光烧蚀脉冲，或者也可以采用激光脉冲本底就具有激光预脉冲；激光主脉冲的光强在 10¹⁹W/cm²～10²²W/cm²之间，脉冲持续时间在10fs～100fs之间；激光预脉冲的光强在 10¹⁰W/cm²～10¹⁴W/cm²之间，持续时间在10ps～1ns之间。

在步骤2)中，强相对论激光脉冲与靶相互作用，靶的前表面被烧蚀而膨胀，形成指数 型密度分布的临界密度等离子体，在烧蚀过程中临界密度等离子体不断地产生、积累并膨胀。 激光预脉冲无法穿透临界密度面(10²¹/cm³)，激光预脉冲的吸收发生在临界密度面以及低 密度区域，一般来讲，非相对论强度(光强低于10¹⁸W/cm²)的激光预脉冲，其主要的能量 吸收方式是临界密度面处的共振吸收，由于激光预脉冲的频率与产生的等离子体的频率一致， 通过共振的方式把激光能量转化为等离子体能量。而在低密度区域处，逆轫致辐射方式起到 主导作用，所吸收能量效率明显较弱。临界密度面处能量吸收产生的热压，向靶内和靶前两 个方向传播。靶前的自相似膨胀则形成低密度的临界密度等离子体，是产生等离子体透镜的 主体部分；向靶后传播的压力波，压缩等离子体密度形成烧蚀前沿，到达靶后迅速破坏靶后 结构对后续加速产生负面影响。临界密度等离子体的密度分布由激光预脉冲的强度和脉冲持 续时间共同决定。

在步骤3)中，在激光预脉冲烧蚀靶的透镜部分形成临界密度等离子体后，随后而至的 相对论强度的激光主脉冲在临界密度等离子体中，由于非线性效应将激光主脉冲的持续时间 和聚焦焦斑进行整形，缩短激光主脉冲的持续时间并压缩聚焦焦斑。非线性现象包括，相对 论自聚焦，相对论自相位调制和相对论自穿透这些非线性效应：I)激光相对论自聚焦导致的 激光聚焦焦斑变小，光强增加；II)激光相对论自相位调制导致激光纵向脉冲压缩和脉冲前 沿变陡；III)激光相对论自穿透导致的激光预脉冲的吸收，最佳的激光整形条件是临界密度 等离子体的长度等于自聚焦的距离时。激光主脉冲的光强与临界密度等离子体的密度相互匹 配的条件：a/n＝常数，其中a是激光主脉冲的归一化电场振幅矢量，n为临界密度等离子体的 密度，经过整形过程的激光焦斑能够聚到1～10μm，激光主脉冲的强度提高超过一个量级，并 且产生一个准台阶状的前沿，得到高强度高对比度的激光主脉冲。

在步骤4)中，聚焦后的激光主脉冲的强度得到3倍以上提高，对比度提高2～5数量级， 满足光压加速条件，同时激光整形过程中产生的高能高密度电子。整形后的激光主脉冲以及 高能量高密度电子共同作用于靶的加速部分，实现离子束流的加速。对比于传统的激光与靶 相互作用，由于激光主脉冲的光强提高以及高能量高密度电子的共同作用，加速得到的离子 的能量以及分布集中度都得以提高。

以上是由预脉冲产生等离子体透镜的激光离子加速系统的加速方法，本发明的激光离子 加速系统中的等离子体透镜还可以通过复合靶实现。

本发明的基于等离子体透镜的激光离子加速系统的加速方法，包括以下步骤：

1)激光器发出激光脉冲，激光脉冲包括激光主脉冲和不可避免的激光预脉冲，靶沿激光 主脉冲的传播方向包括透镜部分和加速部分，透镜部分的密度为临界密度；

2)激光主脉冲与具有临界密度的透镜部分相互作用，产生等离子体透镜效应，对激光主 脉冲聚焦整形，同时产生高能量密度的电子束流；

3)整形后的激光主脉冲满足光压加速条件，与靶的加速部分相互作用，产生离子束流出 射，聚焦整形的同时产生的高品质电子束流进一步增强加速效果。

其中，在步骤1)中，靶的两部分采用不同材料的复合靶；其中，透镜部分的密度为临 界密度的碳纳米管阵列，加速部分采用类金刚石DLC纳米薄膜板。碳纳米管阵列的密度在 0.01～0.1g/cm³，为临界密度，厚度在10～100μm；类晶刚石DLC纳米薄膜板的厚度在5～100nm 之间。激光主脉冲的光强在10¹⁹W/cm²～10²²W/cm²之间，宽度在10fs～100fs之间；激光预脉 冲不可避免，激光脉冲的对比度要求高于10¹⁰,且对于不可避免的激光预脉冲的强度低于 10¹²W/cm²，持续时间低于ps，从而不会破坏靶的透镜部分。

在步骤2)中，相对论强度的激光主脉冲在临界密度的靶中，由于非线性效应将激光主 脉冲的持续时间和聚焦焦斑进行整形，缩短激光主脉冲的持续时间并压缩聚焦焦斑。非线性 现象包括，相对论自聚焦，相对论自相位调制和相对论自穿透这些非线性效应：I)激光相对 论自聚焦导致的激光聚焦焦斑变小，光强增加；II)激光相对论自相位调制导致激光纵向脉 冲压缩和脉冲前沿变陡；III)激光相对论自穿透导致的激光预脉冲的吸收，最佳的激光整形 条件是临界密度等离子体的长度等于自聚焦的距离时。激光主脉冲的光强与临界密度等离子 体的密度相互匹配的条件：a/n＝常数，其中a是激光主脉冲的归一化电场振幅矢量，n为临界 密度等离子体的密度，经过整形过程的激光焦斑能够聚到1～10μm，激光主脉冲的强度提高超 过一个量级，并且产生一个准台阶状的前沿，得到高强度高对比度的激光主脉冲。

在步骤3)中，聚焦后的激光主脉冲的强度得到3倍以上提高，对比度提高2～5数量级， 满足光压加速条件，同时激光整形过程中产生的高能高密度电子。整形后的激光主脉冲以及 高能量高密度电子共同作用于靶的加速部分，实现离子束流的加速。对比于传统的激光与靶 相互作用，由于激光主脉冲的光强提高以及高能量高密度电子的共同作用，加速得到的离子 的能量以及分布集中度都得以提高。

本发明的优点：

本发明利用激光预脉冲与透镜部分相互作用产生临界密度等离子体，相对论强度激光主 脉冲与临界密度等离子体相互作用，产生等离子体透镜并对激光主脉冲进行整形，提高激光 主脉冲的峰值光强以及对比度，满足光压加速条件，激光主脉冲与加速部分相互作用，从而 有效的实现离子束流加速的增强，提高离子束流能量和能散等参数。

附图说明

图1(a)～图1(d)为本发明的基于等离子体透镜的激光离子加速系统的加速方法的流程图； 图2为根据本发明的基于等离子体透镜的激光离子加速系统的加速方法与现有技术的质子能 谱对比图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

实施例一

在本实施例中，靶包括透镜部分21和加速部分22，两部分采用均一的金属材料，铝； 厚度在2～5μm之间。激光脉冲包括激光主脉冲12和激光预脉冲11，采用激光脉冲本底就具 有激光预脉冲11；激光主脉冲12的强度在10²⁰W/cm²～10²²W/cm²之间，宽度在20fs～50fs之 间；激光预脉冲11的强度在10¹¹W/cm²～10¹³W/cm²之间，宽度在100ps～500ps之间。

本实施例的基于等离子体透镜的激光离子加速系统的加速方法，包括一下步骤：

1)激光器发出激光脉冲，包括激光主脉冲12和激光预脉冲11，靶的作用表面垂直于激 光脉冲的传播方向，靶沿激光脉冲的传播方向分为透镜部分21和加速部分22，如图 1(a)所示；

2)激光预脉冲11与靶的透镜部分21相互作用，产生临界密度等离子体，如图1(b)；

3)激光主脉冲12与临界密度等离子体相互作用，产生等离子体透镜效应，对激光主脉 冲聚焦整形，同时产生高能量密度的电子束流3，如图1(c)；

4)整形后的激光主脉冲12满足光压加速条件，与靶的加速部分22相互作用，产生离子 束流4出射，聚焦整形的同时产生的高品质电子束流3进一步增强加速效果，如图1 (d)所示。

临界密度等离子体作为为等离子体透镜，将对相对论强度的激光主脉冲进行整形，增强 激光主脉冲的强度，以期进一步离子束流加速的增强效应。只有在临界密度等离子体的参数 与激光主脉冲的参数匹配的情况下，这种增强效应得以体现，而临界密度等离子体的密度分 布是重要的影响因素。临界密度等离子体的膨胀距离过小，透镜对于激光主脉冲的整形不足， 光强未能提高至极值。而临界密度等离子的体膨胀距离过大，则激光主脉冲在经历最优整形 之后，在临界密度等离子体中继续传播，而此时非线性现象如：成丝和散焦等，造成一定的 负面效果。因此最优的整形效果，对应着相应的透镜密度分布，使得激光主脉冲得到最高强 度并在同一时刻作用于靶的加速部分。而临界密度等离子体的密度分布由激光预脉冲的强度 和脉冲持续时间共同决定的。在给定的激光脉冲系统中，激光预脉冲光强可以通过旋光波导 技术在一定范围内调节。旋光波导技术通过旋光效应，使得光强低于阈值的线偏振激光衰减， 一般用于降低激光预脉冲的光强。

实施例二

靶包括透镜部分21和加速部分22，两部分采用不同的材料，即复合靶，透镜部分21采 用碳纳米管阵列，加速部分22采用类晶刚石DLC纳米薄膜板；碳纳米管的密度在 0.01～0.1g/cm³，厚度在10～100μm，此时碳纳米管阵列的密度为临界密度，激光主脉冲可直接 与碳纳米管阵列相互作用，产生等离子体透镜效应；类晶刚石DLC纳米薄膜板的厚度在 5～100nm之间。激光预脉冲不可避免；激光主脉冲12的强度在10¹⁹W/cm²～10²²W/cm²之间， 宽度在10fs～100fs之间，对于不可避免的激光预脉冲，能量尽可能小，不会破坏靶的透镜部 分，激光脉冲的对比度要求高于10¹⁰,且激光预脉冲的强度低于10¹²W/cm²，脉冲持续时间低 于ps。

目前的激光加速方案中的参数为例，激光强度10¹⁸W/cm²至10²⁰W/cm²，在传统激光离子 加速中出射离子束流最高能量达到1～10MeV。而采用本发明的技术方案，利用激光预脉冲先 产生临界密度等离子体，激光主脉冲与临界密度等离子体相互作用形成透镜效应对激光主脉 冲进行整形后，激光主脉冲与靶的加速部分相互作用，可提高离子束流的最高能量至20～50 MeV。最优出射离子束流的品质对应于最高等离子体能量耦合效率，而能量耦合效率决定于 临界密度等离子体的参数。因此，对于给定的激光脉冲系统，可以通过调整激光预脉冲的参 数，控制临界密度等离子体的温度和密度分布等参数，实现最优化的离子束流加速。图2是 采用本发明的方法加速质子束流的质子能谱与传统方法加速质子能谱的比较，其中，实线代 表本发明的方法得到的质子能谱，虚线代表现有技术的方法得到的质子能谱。从图2中可以 看出，由于本发明通过形成等离子体透镜效应对激光主脉冲进行整形，对质子束流的加速具 有显著的增强作用。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技 术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是 可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求 书界定的范围为准。