超强超短脉冲激光与稀薄等离子体相互作用下空泡尾场中电子稳相加速的研究

基于超强超短脉冲激光驱动空泡尾场加速电子的方案已经成为了当前强场加速的重要研究方向，同时，由于强激光与等离子体相互作用具有很强的高度非线性物理效应，电子在空泡尾场中被捕获及其稳相加速过程的研究成为了当前粒子加速领域的研究难点和热点之一。本项目将采用在空泡边缘附近加上稠密等离子体管壁(毛细管)的方法优化空泡尾场加速电子的方案，来获得电子在尾场中稳相加速的距离更长且电子束的单能性更好以及激光能量转化效率更高。本课题拟采用非线性动力学和多维粒子模拟方法，研究管壁内空泡尾场稳相加速电子的运动规律，探索电子获得稳相加速的激光、等离子体以及管壁的优化条件；研究由稳相加速产生的电子束作为驱动源激发的等离子体尾场捕获并加速电子的物理过程，最终获得产生两群单能电子束的激光、等离子体以及管壁的参量条件。本课题能为激光等离子体加速电子的应用奠定基础和提供有益的思路。

由于强激光与等离子体相互作用是高度非线性的物理过程，电子在激光尾场中被捕获及其稳相加速过程的研究成为了当前粒子加速领域的研究难点和热点之一。经过三年来的研究，本课题围绕强激光脉冲与等离子体相互作用的非线性物理过程和鞘层电子自注入尾场及其稳相加速问题进行了系统的研究。首先，深入研究强激光脉冲在完全离化或部分离化等离子体中稳定传输的非线性特性，尤其考虑了相对论、有质动力、尾场以及电离度等非线性因素的影响，得到了强激光脉冲稳定传输的物理参量条件。建立简单的物理模型，研究了电子密度和初始动量对其自注入及加速的影响规律，讨论了自注入电子束对尾场大小及其形状的影响，阐述了电子束尾场稳相加速的物理本质。基于以上的理论指导，提出在空泡边缘附近加上稠密等离子体管壁(毛细管)的方法优化空泡尾场加速电子的方案，研究表明电子在尾场中稳相加速的距离更长，电子束的单能性更好以及激光能量转化效率更高，最终获得了产生两群单能电子束的物理规律。提出了纵向等离子体密度先减小再均匀然后增大的分布方案，从而实现了控制尾场电子自注入和稳相加速的目的。这些研究结果对于强激光脉冲与等离子体相互作用尾场加速电子的实验具有重要的指导意义。