超强激光作用下金属纳米团簇的尺寸效应及其特性研究

The research for the properties, mechanism and rules of interaction of the ultra laser with matter is a very hot topic, which is also one of the key issue in the intertial confinement fusion (ICF) research. The experimental research on the interaction of ultrashort ultra-intens laser pulse with metal nanocluster beam is scarcely any at the present, compared with the gas clusters of Van der Vaals,our studies will find some new rules and phenomenas for the metal nanoclusters under the fs ultra-intens laser. In this project, the in-situ noble metal nanoclusters beams with size control, continuous transmission and focus point are produced by magnetron sputtering technology and electrode to focus beam method. We plan to study the process and mechanism of heating, ionization, expansion and coulomb explosion for the metal nanaoclusters, mainly focus on the size effect of metal nanoclusters and the nergy spectrum characters in this process especially. We will also study the size effect of of metal nanoclusters for enhancing the yield for the high-energy elctron, X-ray and the efficiency of conversion for the energy of laser to X-ray. We except our studies can find some new rules and phenomenas for the metal nanoclusters under the fs ultra-intens laser. We believe that this project is very significance both for the basic laser plasma physical science and the basic research field of laser ICF.

强激光与物质相互作用特性、机理与规律的研究一直是人们关注的热点，也是快点火激光惯性约束聚变研究中的关键物理问题之一。金属纳米团簇直接在强激光辐照下的物理过程和特性，是目前国内外相关研究中极少涉及的；相比于已普遍开展的以气体团簇为研究对象的研究，将会产生一些新现象和新认知。本项目拟利用磁控溅射技术和电极聚焦技术，原位合成与表征尺寸可控、连续传输与聚焦的稳定高密度贵金属纳米团簇束流。研究超强激光与金属纳米团簇直接相互作用的电离、加热、膨胀及库仑爆炸基本过程和物理机制，着重研究金属纳米团簇的尺寸效应特性及其能谱特征；研究金属纳米团簇的尺寸效应对激光能量的沉积与吸收过程及其转换效率的影响与机理；探索金属纳米团簇在强激光场中演化的基本规律，分析其与气体团簇的区别和联系。项目所涉及的基本物理过程、物理机制和规律研究将具有重要的科学意义，并在激光等离子体强场物理和ICF基础研究等领域具有重要的应用价值。

本项目通过对金属纳米团簇的演化过程及其尺寸效应的依赖关系，开展金属纳米团簇靶在强激光脉冲辐照下的独特性质研究，分析金属纳米团簇与目前普遍开展的气体团簇的区别和联系，是本项目的研究背景和出发点。项目研究获得了物理气相沉积磁控溅射技术制备金属（Cu、Ag、Au）纳米团簇及在线表征方法；通过对溅射电流、团簇结露区长度、氩气/氦气流量等控制参数，获得粒径尺寸影响因素和工艺；采用汇聚静电场方式等外场调控方法对金属纳米团簇束流密度进行调控；研究获得适合强场物理实验用的金属纳米团簇结构靶。实验研究获得金属纳米团簇靶在超高功率密度激光脉冲（~10^19W/cm^2）辐照下的电离和能谱特性、激光能量吸收、高能X射线、高能离子和电子的产生与发射性质，理论和实验分析研究了金属纳米团簇在强激光辐照下的尺寸效应特性。研究表明，各种尺寸的金属纳米团簇均可明显地提高发射电子的能量和增强激光能量的吸收，纳米团簇靶与激光相互作用产生的超热电子能量和电子温度远高于平面靶；团簇靶靶背鞘场加速的高能段质子能量显著提高，电子能谱在高能部分出现较明显的增强，而且团簇尺寸效应明显。高密度中性 Cu 团簇通过流体力学膨胀获得能量，电子碰撞电离是其电离的主要机制；而低密度 Cu 团簇等离子体则通过库仑爆炸机制获得能量；随着团簇中原子或离子密度的增加，电子碰撞电离效率相应的增加。研究获得激光强度和团簇尺寸对各向异性金属纳米团簇膨胀电离的影响机制。分析获得金属纳米团簇与气体团簇在强激光辐照下的区别，表明金属团簇中的电子数量明显增多，特别是内壳层电子不易被电离，流体力学膨胀和库仑爆炸将同时作用，超强超短激光与金属团簇相互作用可获得更宽的离子能谱特征。通过本项目的研究，相关理论和实验结果对于强场物理、高能量密度物理、等离子体物理、极端条件下的凝聚态物理等多个领域具有较重要的研究意义，并在快点火激光惯性约束聚变（ICF）的基础物理研究方面具有重要的应用与参考价值。