相对论涡旋激光与等离子体相互作用中的轨道角动量效应研究

The vertex beam exhibiting a helical wavefront opens a wide range of applications, since an additional freedom degree, i.e., orbital angular momentum (OAM) is included. The recent research of relativistic vortex laser generation brings a new research perspective and promising application for the high OAM density physics. Based on our breakthrough research results, we plan to study the following topics in this project: 1) effect of the incident angle on the topological charge of the intense high harmonics generation (HHG) when irradiating on a solid target. 2) the intense HHG with tunable frequency and topological charge when two counter-propagating vortex beams impinging on a ultrathin foil. 3) ion acceleration and QED effect driven by the relativistic vortex laser pulse. 4) particle acceleration, betatron radiation and possible optical-parametic-like process when the vortex beam propagating in underdense plasma. There are many possibilities in the interaction between the relativistic vortex beam and the plasma because of the OAM involved in. It is a novel project, so the related topics in the coming research project have a strategic importance and attribute to the scientific frontier.

涡旋激光由于具有轨道角动量这个额外的自由度而被广泛用于到各个领域。近来相对论强度涡旋激光的产生为高角动量密度物理带来全新的研究视角和潜在应用。基于前期的突破性研究，本项目主要研究内容为：1）相对论涡旋光与固体等离子体靶作用产生高次谐波时入射角度对谐波涡旋模式的调制；2）双束相对论涡旋光入射到薄膜靶上产生可调谐的高次谐波及其模式特点；3）相对论涡旋光驱动的离子加速以及QED辐射；4）相对论涡旋光作用在低密度等离子体中的粒子加速、betatron辐射以及有轨道角动量参与的参量过程。相对论涡旋光与等离子体相互作用研究由于轨道角动量的参与为其带来很多可能，属于新兴创新课题，因此开展这方面的研究既有重要战略意义又有前沿科学意义。

近年来相对论涡旋光的产生使轨道角动量这个自由度进入等离子体物理研究中，而等离子体也为轨道角动量提供了正反馈，给高能量密度物理研究和应用带来了新契机。本课题研究的是相对论涡旋激光与等离子体相互作用中的轨道角动量效应，发现当一束相对论强度的涡旋光斜入射等离子体靶面时，其反射光束会偏离入射平面；采用两束相向传播的涡旋光与固体薄膜靶相互作用时可产生角量子数和谐波级次可调的涡旋高次谐波；涡旋光在不均匀密度等离子体中传播过程中轨道角动量会导致能量分布不均匀现象；提出产生高阶涡旋光的方案，并发现了在特定靶型中的角动量振荡现象；涡旋光作用在光栅靶上时，可以产生不仅携带纵向角动量还携带横向角动量的涡旋谐波；分数阶涡旋光在产生高次谐波过程中保持角动量守恒；普通高斯圆偏振激光驱动固体靶时可产生涡旋高次谐波。除此之外，还研究了强激光驱动等离子体相关工作，如X射线激光驱动尾波场电子加速的同时betatron辐射出百MeV量级的高能伽马光子；超高强度的高斯激光驱动近临界密度的气体靶加速获得近10GeV的电子束的同时QED辐射产生GeV能量的超高能伽马光子；预极化的质子通过磁涡旋加速机制获得高能的同时保持了较高的极化率。本课题研究内容对以后的实验实施提供理论和指导作用。