强激光-稠密等离子体相互作用产生高亮度的汤姆逊背散射阿秒X射线

Ultra-short and ultra-intense laser pulses interacting with plasmas has recently led to the emergence of a novel generation of femtosecond or attosecond x-ray sources. Based on radiation from electrons accelerated in plasma, these sources have the common properties, including compactness, wide tunablility, fs time scale, and the potential for high-brightness. This project arms to develop an intense Thomson-backscattering attosecond X-ray source driven by ultraintense laser interaction with overdense plasmas. Taking the Thomson backscattering of short-pulse laser off electrons accelerated in plasma as research object, and particle-in-cell simulation and Monte Carlo simulation as research methods, the detailed physical processes for generating dense attosecond electron train via high-power laser-plasma interactions, and the successive multi-pulse X-ray train via Thomson backscattering will be investigated, the radiation properties referring to its flux, peak brightness, energy and angular distributions, and pulse duration will be evaluated, and then the effects of the laser pulse and plasma target parameters on the accelerated attosecond electron bunch and the resulting Thomson backscattered radiation in succession will be analyzed quantitatively. These studies are beneficial to the experimental testing and development of such source, and may provide a powerful tool for probing the ultrafast processes at the atomic and electronic spin scale as well as the other related scientific research.

超短超强激光脉冲与等离子体相互作用为飞秒或阿秒X射线源研究的产生提供了一种新的途径。基于等离子体加速结构中被加速电子的辐射，有着结构紧凑、方向性好、辐射能谱宽、飞秒时间尺度以及潜在高峰值亮度的特性。本项目以利用超强激光与等离子体相互作用来驱动产生高亮度的阿秒脉冲X射线源为目标，选择等离子体中被加速的电子与短脉冲激光进行汤姆逊背散射为研究对象，结合粒子模拟和蒙特卡罗模拟研究方法，研究强激光与稠密等离子体相互作用产生高亮度的阿秒电子束（链）以及相继的汤姆逊背散射产生多脉冲X射线链的细致物理过程，给出阿秒X射线脉冲的通量、峰值亮度、能谱和角分布，以及脉冲时间结构等辐射特性，定量分析强激光脉冲和等离子体靶参数对阿秒电子束和相继的汤姆逊背散射辐射的作用影响，为相关实验检验和发展提供理论依据。这一研究成果也提供了一个潜在的辐射源，为原子和电子尺度的超快过程的探测及其它相关科学研究提供强有力的探测工具。

超短超强激光脉冲与等离子体相互作用为飞秒或阿秒X射线源研究的产生提供了一种新的途径。基于等离子体加速结构中被加速电子的辐射，有着结构紧凑、方向性好、辐射能谱宽、飞秒时间尺度以及潜在高峰值亮度的特性。本项目主要采用粒子模拟和蒙特卡罗模拟相结合的研究方法，紧密围绕超强激光与等离子体相互作用驱动的高亮、超短脉冲辐射源及其光核物理研究开展了以下四个方面的工作，并取得明显进展。. (1) 提出双束激光与通道靶相互作用产生阿秒电子束和汤姆逊背散射X射线链的物理方案，模拟计算相对论阿秒电子束链（精细结构）及其驱动的超亮硬X射线源产生。给出阿秒X射线脉冲的通量、峰值亮度、能谱和空间分布，以及脉冲时间结构等辐射特性，获得能量为数十MeV、具有周期性空间分布的阿秒电子束（脉宽约为200阿秒）及其驱动产生的10 keV X射线脉冲链，峰值亮度为5×10^{19} /(s mm^2 mrad^2 0.1%BW)。. (2) 提出利用双束激光与锥靶相互作用获得增强的阿秒X射线源的物理方案，发现锥靶产生的辐射光子产额是正常通道靶的5倍。定量分析强激光强度和等离子体靶参数（譬如锥顶尺寸）对阿秒电子束和相继的汤姆逊背散射辐射强度、能谱以及空间分布的作用影响，研究结果显示了全光学的高亮、阿秒辐射源的实验可行性及其在阿秒科学研究领域的应用前景。. (3) 开展10PW激光场中的超亮、超短伽玛辐射产生研究。采用单束拍瓦激光单侧、双束拍瓦激光双侧辐照超薄固体靶等物理方案，研究超强光场中的高亮度短脉冲伽玛光和高密度正电子产生。研究发现双束激光辐照方案可以有效提高激光－伽玛光和激光－正电子能量转换效率，以及靶穿透效应可进一步增强正电子的产生等重要物理现象。. (4) 探讨基于相对论激光－高品质辐射源的光核物理应用研究。针对激光尾场和激光有质动力加速的大电量（~100 nC）、高能电子束以及高通量（10^{11} /shot）的轫致辐射源产生开展研究，重点讨论了高通量的激光轫致辐射源和激光康普顿光源在光核物理领域的两个重要应用：革新的医用同位素产生和长寿命裂变产物核嬗变研究。