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强激光与薄膜靶作用中的粒子加速和谐波产生

闫春燕  
【摘要】: 近年来,随着超短超强激光脉冲的迅速发展和“快点火”研究的深入,超短超强激光脉冲与等离子体相互作用成为当前激光等离子体领域的一个研究热点。本文的研究目的是:利用一维粒子模拟方法,对强激光脉冲与等离子体作用中的粒子加速进行研究。 首先,我们通过研究光压推动等离子体靶产生单能质子束的理论模型,导出了加速质子的前提条件和平衡条件。利用一维粒子模拟程序研究了超强激光辐照高密度薄靶时单能质子的产生,结合理论分析比较了不同峰值强度和脉冲宽度以及薄靶的厚度和密度对质子加速效果的影响。研究表明:在稳定加速的范围内,随着脉冲宽度的增加,质子束的能量也随之增加,但当加速接近相对论程度后质子束的能量就会趋于饱和;加速过程符合力学原理,随着激光峰值强度的增加,质子束的能量也随之增加;薄靶的厚度增加和密度增大两种方式都可以使单能质子束的能量逐渐降低。激光的峰值强度超过最佳加速光强后会因电子逐渐脱离束缚而无法得到单能质子束,理论与模拟得到的结果相符合。 其次,我们研究了相对传播的双脉冲激光与薄膜靶的作用,观察到很强的谐波产生。其物理图像是:圆偏振高对比度强激光脉冲作用于薄膜靶,由光压推动产生的高密度等离子体靶向前运动,同时由于电荷分离场的作用,使得离子束和电子束在纵向上都有好的聚束,从而产生以相对论速度向前运动的等离子体镜;反向入射一个探测光到已被加速的等离子体镜上,由多普勒频移产生强的单色N次谐波,探测光脉冲被压缩至原来的1/N。并且讨论了激光和等离子体参数对等离子体镜的运动和谐波级次的影响,以及相对论运动等离子体镜的稳定性对谐波的影响。 我们利用高强激光脉冲与等离子体薄靶相互作用得到了相对论速度的电子束,并对激光与相对论电子束相互作用得到的阿秒X射线脉冲进行了研究。阿秒X射线脉冲是由于激光被相对论运动的电子束经过汤姆孙后向散射产生的。所获得的X射线的波长除了随着入射激光的频率的增加而减小外,还与电子束的速度有关,电子束的速度越高,获得的X射线的波长越短,选择合适的参数还可以获得“水窗”波段的X射线。另外,相对论电子束的密度与其前沿的密度梯度的大小对所产生X射线的转化效率有很大的影响。 本文分为五章。第一章为综述,简单介绍了激光与等离子体相互作用的研究背景和进展、研究内容、特点以及研究方法等。第二章介绍了超强激光脉冲辐照薄靶时单能质子的产生。第三章研究了激光与等离子体相互作用中强单色谐波的产生。第四章研究利用激光与相对论电子束相互作用中阿秒X射线的产生。第五章为总结与展望。


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