超强激光与微结构靶相互作用的非线性物理过程研究

Coupling of ultra-intense laser and plasma is of very great concern to efficient particle acceleration and radiation driven by ultraintense laser pulses, micro-structured target is a most effective method to significantly improve the energy conversion efficiency of the laser. The nonlinear dynamic in the interaction between ultra-intense laser and micro-structured target is investigated theoretically and by using particle-in-cell simulations. We will obtain the quantitative description among the energy absorption of the laser, excitation of surface plasma wave and generation of hot electrons and energetic ions, and discuss the effect of the modulated period of the micro-structure targets on the ion acceleration. Besides, the theoretical model of plasma waveguide electron acceleration will be built for the optimized parametric design of the micro-channel to enhance the ionic energy and X-ray radiation, which is useful for the experiments in future.

超强激光与等离子体的能量耦合对超强激光驱动高效的粒子加速及其辐射至关重要，微结构靶是目前大幅提升激光能量转换效率的最有效方法之一。本项目利用理论分析和粒子模拟系统研究超强激光与微结构靶相互作用的非线性动力学过程，获得激光能量吸收、表面等离子体波激发、超热电子和高能离子产生的定量描述，并讨论前表面微结构的周期变化对离子加速效果的影响；建立基于等离子体波导的电子加速理论模型，优化激光和靶结构参数以大幅提升离子束能量及X射线辐射强度，为未来开展的相关实验研究提供理论参考和模型支撑。

超强激光与等离子体的能量耦合对超强激光驱动高效的粒子加速及其辐射至关重要。本项目针对超强超短激光与微结构靶相互作用的非线性动力学过程以及在粒子加速和高亮辐射中的应用开展了细致研究。首先，完善了课题组粒子模拟程序功能，添加了场致电离模块，使其能够模拟原子在强激光场中的电离过程。其次，开展了一系列针对性研究，研究表明：1）对于不满足表面等离子体波共振条件的光栅靶，光栅间的局域纵向电场与激光场可以对电子进行协同加速，电子温度大幅提升，这是提升激光与靶之间的能量耦合效率以及增强质子加速的直接原因。2）等离子体波导可以作为模式转换器将普通高斯激光的电磁模非线性地转换为波导内的横磁模，从而获得了具有极强纵向电场的相对论高阶模激光脉冲，且适用于不同的激光强度、偏振态和入射角。3）等离子体波导可成功用于超强激光脉冲驱动的离子加速以及正电子和中子产生中，能够大幅提升将离子截止能量和能量转换效率以及正电子和中子产额。4）发现了由于超强拉盖尔-高斯激光具有中空的电场强度分布和螺旋的等相位面，与微结构纳米丝靶的相互作用会从丝壁上拉出高密度且具有一个激光波长间隔的阿秒电子串，这些电子串在横向和纵向上同时被锁相而被激光纵向场持续加速，最终获得具有低发散角和大电荷量的高品质电子束。这些电子束在传输至靶后还可诱导环形加速电场进而获得环形离子束。此外，我们还取得了一系列关于关于近临界密度等离子体中的离子加速、啁啾脉冲驱动的激光尾波离化注入、可控电子注入和X射线辐射等方面的研究成果。本项目的研究对于超强超短激光驱动高效粒子加速和新型辐射的相关理论和实验研究能够提供重要参考。