飞秒强激光脉冲与近临界密度等离子体相互作用的理论研究

Recent progress in laser technology and target fabrication technology allows investigation of new regimes in the femtosecond laser and near-critical-density plasma interaction. This research complements the plasma theory, and the high-energy-density electron and ion beams induced from the interaction have wide application in the areas of inertial confinement fusion, medical therapy, and X-Ray synchrotron radiation sources. In this research proposal, a two-dimensional time-dependent theoretical model for the evolution of near-critical-density plasma irradiated by short, intense laser pulse is to be established to study the contents as follows: (1) The trapping of laser energy in the near-critical density self-generated and pre-formed cavity will be studied with this model and PIC simulation, focusing on the generation mechanism of postsoliton and the plasma cavity with "overdense" plasma wall, as well as the trapping of the laser pulse in the cavity. (2) We will build a theoretical model for the interaction of intense laser pulse with over-critical-density plasma to investigate the self-induced transparency and short laser hole boring effects, and the electron and ion acceleration during these processes. (3) we intend to extend the scenarios of laser wakefield electron acceleration in underdense plasma, and ion acceleration by laser radiation pressure in dense plasma, to laser and near-critical-density plasma interaction, where the coupling of laser and plasma will be more efficient. This will provide new ideas to obtain the high-energy-density electron beams.

飞秒强激光的出现以及现代制靶技术的发展极大地促进了短脉冲激光与近临界密度等离子体相互作用研究。这不仅补充了等离子体物理理论，而且过程中产生的高能量密度电子、离子团在惯性约束核聚变、医学治疗、同步辐射X 射线源等领域有着广泛的应用。本课题拟建立激光与近临界密度等离子体相互作用的二维含时理论模型，结合数值模拟的方法，重点研究：（1）激光在近临界密度等离子体自生和预设空腔中的捕获问题。阐明后孤子结构的产生机制，揭示具有过密等离子体'墙'的空腔的形成机制及其对电磁场的捕获机制。（2）建立飞秒强激光在略高于临界密度等离子体中传输的理论模型，研究激光自诱导透明和打洞效应，及过程中出现的电子和离子加速问题。（3）拟将气体密度等离子体中尾波加速电子，以及固体密度等离子体中激光光压加速离子的方案，拓展到近临界密度等离子体。在那里激光脉冲与等离子体层预期有很强的耦合，为获得高能量密度的带电粒子团提供新的思路。

飞秒强激光的出现以及现代制靶技术的发展极大地促进了短脉冲激光与近临界密度等离子体相互作用研究。这不仅补充了等离子体物理理论，而且过程中产生的高能量密度电子、离子团在惯性约束核聚变、医学治疗、同步辐射 X 射线源等领域有着广泛的应用。本课题通过建立解析模型和数值模拟相结合的方法，重点研究了：（ 1）针对密度略小于临界密度的背景等离子体， 研究电磁场在自生及预设空腔中的捕获的研究课题中，我们利用解析模型研究后孤子结构形成的机制、空腔及等离子体墙的形成和演化的过程，除此之外利用解析模型研究空腔内电磁场振幅和频率的演化及不同的等离子体参数对于后孤子形成及电磁场捕获的影响。之后我们利用PIC模拟的方法验证解析模型的有效性及空腔内壁等离子体墙的演化，考虑了不同的空腔形状和大小对于激光脉冲的捕获的影响，并研究激光脉冲在预设空腔中形成的多峰结构。（2）针对密度略大于临界密度的背景等离子体，研究飞秒强激光的相对论自诱导透明及打洞效应的研究内容中，我们重点利用数值模拟研究了强激光脉冲在超临界密度等离子体中传输的物理机制。重点研究相对论自诱导透明发生的过程及hosing不稳定性的影响，比较了不同等离子体密度对激光传输的影响，并拓展到激光在等离子体中自诱导透明传输后在空腔中的捕获问题。本研究基本是按照原定研究目标开展。（ 3）我们重点利用数值模拟的方法，研究了飞秒强激光脉冲在近临界密度等离子体中的尾波激发来产生高能量密度电子团，其与气体密度等离子体的尾波之间有很大的区别。通过变换参数，研究提高电子能量密度的方案，发现通过在薄膜靶前预置近邻界密度等离子体靶的方法，可以在靶后产生高能量密度的离子束，是一种增强型靶后加速的新方案。另外，我们项目组将部分研究内容拓展到更高等离子体密度及磁化等离子体的情况，为后续课题做好了研究基础。并增加了飞秒激光脉冲与大尺度预等离子体相互作用中的电子加速问题的研究内容。