超短超强激光与薄膜靶相互作用中离子加速的实验研究和理论模拟

【摘要】：本论文的工作主要是围绕超短超强激光与固体薄膜靶相互作用中离子加速的研究展开。论文包括三个主要部分：一是激光与薄膜靶相互作用时靶后表面加速出的碳离子的来源；二是超强激光与固体薄膜靶相互作用中靶后法线方向离子加速的实验研究；最后是基于稳相加速机制,利用二维Particle-In-Cell (PIC)串行粒子程序模拟超强圆偏振激光与混合靶相互作用中高能(-GeV)质子的产生。 第一部分首先介绍了激光与固体靶相互作用的电离机制,主要有：激光直接电离、场致电离和碰撞电离；然后分析了靶后法线方向碳离子的来源。结果表明C4+及更低价态的碳离子主要由场致电离(Field Ionization by Barrier Suppression)产生,而高价态的C5+和C6+离子主要来自于超热电子与靶表面的碰撞电离(Collisional Ionization)。 第二部分主要介绍了在中国科学院物理研究所光物理重点实验室“极光-III(Xtreme Light-Ⅲ)"上进行的离子加速的实验。1.实验中确定了质子加速的最佳靶厚为2.5μm,对应的质子最大截止能量约为3.9MeV。基于TNSA机制估算了超热电子在靶后的横向面积和发散角,分析结果表明这两个参量依赖于靶厚度的变化；2.与第二章的电离机制结合,简单分析了靶厚度变化对不同价态碳离子加速的影响；3.对实验中发现的电子双温分布进行简单讨论分析。 第三部分利用2D PIC程序模拟了在超强激光与超薄混合靶作用中,混合靶参量变化对质子加速的影响。模拟结果表明：当氢所占混合比例较低时,有利于单能质子束的产生,峰值能量-1GeV,能散度-9%。而当氢离子含量高(n=12.0)时,可以提高质子的最大能量,但是有很大的能谱展宽。