超强超短激光与等离子体相互作用中的离子加速及非线性问题研究

From the point of view of nonlinear wave dynamics, ions acceleration and nonlinear effects in the interaction of ultrashort and ultraintense laser with relativistic plasma will be studied by theoretical analysis and numerical simulation.First, the double-layer target model in radiation pressure acceleration mechanism will be improved and simplified reasonably. Then, the effects of ions charge-mass ratio on energy and energy spread of accelerated ions will be investigated by solving the effective potential(superposition of the inertia potential and the electrostatic one) and the motion equation of ions.Second, when laser pulse propagates in underdense and unmagnetized plasma, a model resembling the nonlinear Schrodinger wave equation will be used to study some typical nonlinear effects such as pulse compression, relativistic self-focusing and the relationship between them, as well as the related mechanisms under different physical conditions.Third, in the magnetized plasma, a set of equations coupling between the propagation of laser and the electrons motion will be obtained. Then, the electrons motion and its stability as well as the nonlinear effects during the propagation of laser pulse will be researched. Moreover the mechanism will be explored deeply. Our theoretical research will be fundamental for the experiments of the desktop plasma accelerator driven by ultrashort and ultraintense laser pulse and other related ones, which will be helpful for the applications in medical treatment, military technology and many other fields.

本项目拟通过理论分析和数值模拟，从非线性波动力学的角度，对超强超短激光脉冲在相对论等离子体中的离子加速及传播中的非线性效应进行研究。（1）对辐射压力加速机制中的双层靶模型进行合理改进和简化，通过求解有效电势（惯性势和静电势的叠加）及离子的运动方程，研究离子荷质比对离子加速效果的影响。（2）在低密非磁化等离子体中，以类非线性薛定谔波动方程为模型,研究不同物理条件下激光与等离子体相互作用过程中的一些典型的非线性效应及其物理实质，如脉冲压缩、相对论自聚焦等，并分析横向聚焦与纵向压缩的耦合关系。（3）在磁化等离子体中，通过建立激光传播与电子运动耦合的方程组，研究电子的运动及其稳定性，研究激光传播时的非线性效应，并对其产生机制进行探索。本项目的研究能够为以等离子体为介质的加速器小型化等的相关实验提供必要的理论依据，在医学及国防等许多方面都具有非常广阔的应用前景。

随着超强超短激光技术的迅猛发展，激光与物质相互作用物理的研究内容也越来越丰富。本项目在前期相关研究工作的基础上，深入研究了超强超短激光脉冲与等离子体相互作用中的粒子加速、各种典型的非线性效应及相关问题。具体研究内容包括等离子体空泡尾场中的正电子加速及激光加速器的数值优化问题；磁化等离子体中的脉冲压缩、正负电子对等离子体中的孤立波以及由轫致辐射、非线性Compton散射及汤姆逊背向散射引起的光子发射问题；磁化等离子体中快电子的输运、磁约束聚变中L-H束缚态的转变以及强激光场下正负电子对的产生问题。.我们获得的重要结果有：.1．在粒子加速方面：研究得到了空泡尾场的空间分布与背景等离子体中的正电子比例的关系，给出了加速效果最优的初始正电子参数；研究发现了非对称的双光栅结构可以有效的优化激光场的分布，有利于其中电子的加速。.2．在非线性效应方面：研究得到了圆极化激光脉冲在磁化等离子体中被压缩的速度与旋转方向及磁场大小的关系；研究得到了非磁化热正负电子对等离子体中孤立波存在的物理条件，得到了非对称等离子体中离子温度、离子比例以及离子运动效应对孤立波振幅的影响；研究证实了电子共振加速产生汤姆逊背向散射的标度不变性，发现磁共振参数在辐射强度中起了重要作用；研究发现当激光强度较低时，韧致辐射和非线性康普顿散射导致的光子效应相当，而当激光较强时，非线性康普顿散射则占优。.3．在其他方面：研究发现将高密层埋于低密靶心的设计可以高效的准直快电子，并得到了最佳靶参量，强磁场和准单能的电子分布有利于降低电子的横向输运；研究发现，利用推广的三波相互作用模型，可以观察到向高束缚态的转变，在转变前后，相图中的极限环旋转方向发生了反转；研究发现，利用负频率啁啾的激光脉冲可以提高正负电子对的产生率。.本项目的研究能够为以等离子体为介质的加速器小型化、惯性约束聚变中的快点火等的相关实验提供必要的理论依据，在医学及国防等许多方面都具有非常广阔的应用前景。