基于超短超强激光与近临界的低密度等离子体相互作用的带电粒子加速的新机理的深入研究

本研究拟用2维PIC数值模拟方法结合理论解析对超短超强激光与近临界的低密度等离子体相互作用中的激光加速问题开展研究。初期研究表明，在适当的条件下，超强超强激光辐照在这种密度范围的等离子体时，将形成等离子体通道并伴随激光自聚焦现象。通道内同时存在有效加速梯度高达数十GV/cm的尾波场电子加速现象和由边界向深处持续发生的库仑爆炸导致的反冲离子加速现象。在加速的电子束冲出等离子体时，能引发梯度达到数十GV/cm的向前离子加速过程。本项目将对近临界低密度等离子体中超短超强激光加速的这三个问题深入研究，探索这一条件下获得GeV的高品质电子束、离子束和反冲电荷的累积效应获得高电量的反冲离子束的可能性，研究相关物理机制和参数条件，分析在近临界低密度等离子体中激光加速的应用和发展前景，寻找激光-等离子体加速电子的新图像和新机理。

强激光与等离子体相互作用是近年来强场物理的一个重要问题，其中基于等离子体的激光加速，因近年来实验上的进展，更成为广受关注的前沿课题。一般而言，电子加速领域人们通常考虑稀薄等离子体，离子加速领域则考虑高密度等离子体。介于两者之间的近临界密度等离子体的研究相对较少。我们对强激光辐照近临界密度等离子体开展了深入的研究，对其中的物理过程、加速电子和离子的机理都获得了一个比较清晰的图像。1）在近临界密度等离子体中，激光更倾向于激发等离子体自通道效应。更强的电荷分离场驱动的库伦爆炸代替光压的作用，使飞秒激光也能形成等离子体自通道。考虑了相对论效应后给出了一个更准确的自通道形成判据条件，并结合PIC模拟得以验证。2）通道内自激光入射端向出射端延伸持续发生库爆过程，而通道壁构成了一个自洽的发射准直腔，电荷累积效应导致最终产生了一个高能（最大能量127.4MeV）、准单能的（峰位能量21.2MeV）、高电量（数十nC每微米）的准直的反冲质子束。3）高达数十 GV/cm的尾波场猛烈加速通道内自注入的电子，在非常短的时间内加速到GeV量级。在近临界密度等离子体中，这些电子有机会越过激光脉冲中，诱导等离子体后边界附近的离子加速，形成一个激光处于离子束和电子束之间的布局，Buneman不稳定性激发，电子不断从激光获得能量，同时电子也不断拖拽离子加速离子。类似于固体密度靶中BOA机制，这是一种新的长程加速机制，能将离子加速到GeV能量。我们对这种机制进行了深入的研究，并通过双层靶设计将激光-离子能量转换效率提高到了15.2%。在不到150微米的距离内，离子最高能量达到1.02GeV，有效加速梯度高达7.4GeV/mm 。 4)为解决近临界密度等离子体中尾波场不稳定和衰减过快问题，开展了变密度靶的研究。发现在密度跃变区的尾波收缩带来的位相调控和电子束裁剪现象，利用其可以有效地提高加速能量，提升束流品质。我们提出了一个单激光的多阶段加速方案，可产生高能、高单色性、高准直度、低发射度的电子束，已能初步满足自由电子激光的入射电子束的束流品质要求。利用多阶段加速，可以实现由稀薄等离子体到近临界密度等离子体的加速优点的同时应用。我们还对长密度梯度靶里的外注入电子和自注入电子方案开开展了研究，都获得了高品质加速电子束团。总之，近临界密度等离子体具有独特的特性，在激光加速方向很有应用前景。