强激光与固体靶相互作用中超热电子与太赫兹辐射的研究

【摘要】：对于强场物理的研究来说,诊断技术是除超强激光技术之外的另一重要组成。强激光与固体靶相互作用会产生大量的超热电子,诊断这些超热电子对于理解激光吸收机制和超热电子束流在靶中输运过程非常关键,也是应用超热电子束流的基本要求。强激光与固体靶相互作用过程中在靶前和靶后都有强太赫兹辐射产生,这为发展强太赫兹辐射源提供新的路径。同时因为强太赫兹辐射的产生机制与超热电子密切相关,所以它也为我们诊断超热电子提供了新的媒介。本论文聚焦强激光固体靶相互作用过程中超热电子和太赫兹辐射的诊断发展和实验研究,发展了一套超热电子数目和角分布实时诊断仪器、一套宽带太赫兹频谱单发测量仪器以及一种高性能太赫兹波形单发测量技术,并且利用这些诊断研究了超热电子和太赫兹辐射对激光和固体靶参数的依赖关系。借助纳米阵列结构,提升了激光吸收效率,显著增强了超热电子和靶后太赫兹辐射。超热电子在靶前被激光场加速以后会向靶后输运,一部分克服靶后鞘层场逃逸到真空中,测量逃逸电子是一种直接诊断超热电子的手段。本文提出利用光纤诊断逃逸电子的新方法,其基本原理是逃逸电子在光纤中引发切伦科夫辐射,通过测量光纤中的切伦科夫辐射来诊断逃逸电子。从理论上研究了由电子束引发的切伦科夫辐射在光纤中的产生和传输特性,在实验中通过多种鉴别手段验证了利用光纤诊断超热电子的可行性。在此基础上发展了基于光纤切伦科夫辐射的超热电子数目和角分布诊断系统。基于这些诊断,我们系统地研究了在不同条件激光和固体靶条件下超热电子数目的变化规律。和其他诊断方法相比,基于光纤切伦科夫辐射的超热电子诊断具有实时、离子和X射线噪声低和无电磁脉冲干扰等优点。基于强激光等离子体相互作用的太赫兹辐射源具有发与发之间存在抖动和超宽带的特点,现有的太赫兹频谱测量方法或是基于多发扫描、或是工作带宽较窄,从而对强激光等离子体太赫兹辐射源并不适用。鉴于此,我们发展了一套多通道太赫兹谱仪,该谱仪由热释电探测器、高阻硅太赫兹分束片以及太赫兹窄带滤片构成。对其谱响应率进行标定后,应用这套谱仪,我们在大能量皮秒激光等离子体相互作用实验中对靶前和靶后太赫兹辐射频谱分别进行了研究。通过测量不同激光、靶和预等离子体条件下的太赫兹辐射频谱,分析了靶前太赫兹和靶后太赫兹辐射不同频段的产生机制。靶后太赫兹辐射主要是源于超热电子穿越靶后等离子体—真空界面时引发的相干渡越辐射,太赫兹辐射波形反映了超热电子脉冲结构,所以单发诊断太赫兹辐射脉冲波形非常重要。我们发展了一套基于反射式阶梯镜对的单发波形测量系统,这种方法具有高时间分辨率和宽探测时间窗口两个优点。基于这个方法,在飞秒强激光与固体靶相互作用实验中研究了激光光强、激光偏振、靶厚度以及激光离焦距离对靶后太赫兹辐射波形的影响。我们还同时从测量了靶后逃逸电子和光学渡越辐射。基于相干渡越辐射理论,通过对太赫兹波形脉冲的分析得出实验测量到的太赫兹波形主要是由于三个电子脉冲产生。波形测量结果和电子测量结果相互验证。实验发现激光强度和输运距离是影响光学渡越辐射的两个主要因素,光学渡越辐射随激光强度减小而减小,随输运距离增加指数减小。已有研究表明靶表面微纳结构可以显著增强激光能量的吸收效率。利用物理所20TW激光装置和上海交大200TW激光装置,我们系统地研究了铜纳米柱阵列和有铜纳米柱填充的纳米孔阵列对超热电子和靶后太赫兹辐射的增强作用。对于纳米柱阵列靶,随着纳米柱长度增加,靶后太赫兹辐射先增强后减弱。靶后产生的超热电子测量结果与太赫兹能量变化趋势一致,符合渡越辐射理论预期。PIC模拟结果显示纳米柱阵列能显著增加激光吸收效率,提高超热电子数量。对于有铜纳米柱填充的纳米孔阵列,在低光强下,靶后太赫兹辐射随填充纳米柱长度增加先增强后减弱,存在一个最佳的纳米柱长度对应最强的太赫兹辐射,在高光强下,随着丝长度的增加,靶后太赫兹辐射不断增加,电子测量结果与太赫兹测量结果吻合。此外还发现填充纳米柱可以提高固体靶的电导率,促进超热电子输运。