利用碳纳米管实现对超强激光产生的高能电子约束和控制的研究

Intense, relativistic electrons are generated when an ultra-intense, femtosecond laser explosively ionizes matter. These electrons are extremely important，especially for the applications on ultra-fast strong electromagnetic radiation source. Unfortunately, these electrons are of high divergence and short transportation distance that limit the applications of laser generated electrons. Recent experimental results show the carbon nanotube structures have a confining effect over long distances on laser generated electrons, which perhaps can solve these problems. To find the mechanisms of laser-generated electron transportation in carbon nanotube structure and the schemes of the electromagnetic radiation source by the carbon nanotubes irradiated by intense laser, we propose the theoretical and computational study on controlling ultra-intense laser generated high energy electron by carbon nanotube structure. We prepare to 1) study the confinement of laser generated electrons in carbon nanotube structure based on the quantum ballistic transportation property of carbon nanotubes; 2) obtain the physical model and realize the computational simulation; 3)study the controllable electron transportation along sophisticated paths and electromagnetic radiation; find the optimal tube structure for designing new strong electromagnetic radiation source by carbon nanotubes. The goal of this study is to lay a theoretical foundation for the control of laser generated high energy electrons and the new strong electromagnetic radiation source by carbon nanotube structures.

超强超短激光与物质相互作用产生的高能电子具有有重要的应用价值，尤其是可以利用它实现超短强电磁辐射源，但是其应用目前受限于激光高能电子过大的发散角和过短的输运距离。最近的实验表明，碳纳米管作为激光高能电子的输运介质能克服这两大缺陷。本项目拟以理论与计算为主要手段，对碳纳米管结构中出现的激光高能电子长距离约束输运现象进行研究，进而探索将其应用于电磁辐射源的途径。主要内容包括：1）从碳纳米管的量子弹道输运性质出发，研究激光高能电子同碳纳米管内电子耦合的细致机理，探索碳纳米管长距离约束激光高能电子的具体物理机制；2）建立数学模型和实现计算模拟程序，3）进而探索利用碳纳米管结构控制激光高能电子沿复杂路径输运的可能，并分析其伴随的电磁辐射，提供碳纳米管作为电磁辐射源基础介质的最优结构。本项目旨在为利用碳纳米管实现激光高能电子的有效控制和小型化强电磁辐射源奠定理论基础，具有重要的科学意义和实用价值。

本项目对碳纳米管结构中出现的激光高能电子长距离约束输运现象进行研究进而探索利用其实现强辐射源的技术路径，具有重要的科学意义和实用价值，主要研究内容和取得的进展如下： .课题组首先完成了对激光高能电子同碳纳米管内电子耦合的细致机理研究，我们研究发现碳纳米管结构阵列结构，也包括其他材料的纳米管，纳米线，多层结构都可以有效地抑制高能量密度的激光高能电子输运过程中的电磁不稳定不稳定性，而高能电子束成丝是高能电子发散的主要原因。成功地解释了实验中出现的激光高能电子长距离准直输运的反常现象。此研究成果，对于激光约束聚变中的快点火方案有重要意义，基于此方法，合理地设计碳纳米阵列结构，甚至可以实现激光高能电子束的聚焦，具有潜在的应用价值。.同时，基于碳纳米管阵列中高能电子输运的Weibel不稳定抑制机理，本课题组设计了一种全新的高Z和低Z材料交替的周期性多层结构，如图4所示的Au/Si纳米交替结构，研究表面此结构同碳纳米管阵列结构一样可以有效抑制高能电子的Weibel不稳定性，进而可以预言在此结构中一样可以出现高能电子束的长距离输运现象，由于此结构简单，制备可控，因此比碳纳米管结构更容易实现也更容易可控制备，也具有重要价值。.此外，我们利用碳纳米管和碳纤维材料的特殊准直和长距离输运效应，设计了一种周期性表面结构的纤维结构，理论推导和数值模拟都表明，此结构可以有效地引导高能电子发生毫米级长度的输运，而正是这种毫米级的输运距离，控制表面修饰结构的周期在几十微米的量级，可以有效地产生THz波段的超强THz SP辐射，这为小型化的超强THz辐射源提供了一种全新的路径。.综上所述，我们的理论研究成果对设计利用碳纳米管，包括纳米线，纳米多层符合结构实现对超强激光产生的高能电子束的控制具有重要价值，同时为利用激光高能电子实现小型化的超快超强电磁辐射源提供的全新的思路，对于实验和装备的实现具有重要的指导意义。