超强飞秒激光在大尺度等离子体中传输的粒子模拟研究

本项目的主要目的是研究超强飞秒激光在大尺度等离子体中传输的粒子模拟的新算法，建立能够快速模拟超强飞秒激光在大尺度等离子体中传输过程的粒子模拟程序，在此基础上，研究超强飞秒激光在大尺度等离子体中传输的特点和规律，为中国工程物理研究院激光聚变研究中心正在开展的激光尾波场加速电子的实验提供理论支持。超强激光在大尺度等离子体中传输时所发生的脉冲压缩、成丝、自聚焦、自导引、偏转等现象对等离子体波的形成影响很大，会直接或间接地影响到尾波场加速器中高能电子的产生及其束流品质。而尾场加速所产生的相对论电子束除了可以制造台面型电子加速器外，对惯性约束聚变的研究也具有重要意义,甚至可以用来做粒子束武器。如果有了可重复的单色电子束，就可以造出窄带飞秒X射线源和自由电子激光器，从而可能极大地推动医疗科学和材料科学的发展，对工程物理研究院相关实验诊断技术的发展有重要意义。

在联合基金的支持下，本项目对超强飞秒激光在大尺度等离子体中传输问题做了深入研究，主要完成了以下工作：研究了保证大规模计算时粒子模拟程序高效深度并行的算法，成功把相关算法应用到目前的多维并行粒子模拟程序PLASIM3D中，经第三方测试，并行效率达到90%，实现了飞秒超强激光在大尺度等离子体中传输的快速粒子模拟计算，并利用粒子模拟程序研究了超强飞秒激光在大尺度低密度等离子体中传输的特点和规律；研究了激光参数、等离子体密度和分布等相关等离子体参数对飞秒超强激光传输和尾场加速中电子注入和捕获的影响，在模拟中首次观测到在空泡尾部的电子弓形波，细致研究了电子弓形波对电子注入的影响。除此之外，配合中国工程物理研究院激光聚变中心的实验做了大量的粒子模拟，为相关实验提供优化参数和实验方案，开展了广泛的国际合作，在2010.01-2010.6月期间马燕云赴日本宇都宫大学进行学术访问和学术交流。在此期间，根据国际上最新的激光尾波场加速的实验和理论结果以及最新的研究趋势，提出了多种电子注入方案。在这些研究的基础上，还对未来激光尾波场加速电子的应用展开了一些研究，与激光聚变研究中心、大阪大学合作开展了超强激光与光栅靶相互作用产生的超热电子通过Smith-Purcell效应产生可调电磁辐射源的研究，相关成果发表在Physical Review Letters上。另外一篇关于高能电子产生辐射的文章发表在2013年的Physical Review Letters。.　　　总之，本项目在程序、物理研究等方面很好的完成了研究目标，配合中国工程物理研究院激光聚变中心的实验做了大量研究工作，共发表论文17篇，SCI收录13篇，EI收录4篇，其中PRL文章2篇，PRE文章1篇，POP4篇，NJP1篇，国际会议邀请报告3次，培养博士2名，硕士6名，与中国工程物理研究院激光聚变中心合作获得军队科技进步一等奖1项（国防科大理学院为第二单位）。