超强激光与次稠密等离子体相互作用中的涡旋特性研究

The interaction of ultra-intense laser with plasma gives rise to a variety of nonlinear phenomena due to the intense ponderomotive force and relativistic effects.The vortices produced in the wake behind a short light pulse is one of the most importance nonlinear phnomena.The production and evolution of the vortices have significantly influence on the propagation of ultra-intense laser in plasma,.the laser energy depletion and the instability progress. As an importance energy depletion mechanism, it has not full understood. The research about this issue is mainly in theory and simulation at present. There was little experiment as the limitation of experimental and diagnosis condition.In the current application project, we will carry out theory simulation and proton radiography experimental studies on the vortices produced in the interaction of ultra-intense laser and underdense plasma. Much attentions are paid on the evolution and characteristic of the vortice. The in-depth research, especially verify the theory by the experiment, is important for the vortice theory.It also could help us to understand the laser energy depletion mechanism and the instability progress more. The research is not only an frontier and basic problem, but also has important potential application in the laser fusion and laser wakefield acceleration.

当超强激光与等离子体相互作用时，强的有质动力效应和相对论效应将导致许多非线性现象的产生，其中激光尾场中的涡旋的形成是重要的非线性现象之一，其形成和发展对超强激光在等离子体中的传输、能量耗散和不稳定性发展都有重要影响，特别是作为一种重要的激光等离子体相互作用耗散机制还未被人们充分认识。目前这方面的研究主要集中在理论模拟方面，由于实验和诊断方法等方面的条件所限，实验研究很少。本项目将结合理论模拟和质子照相实验对超强激光在次稠密等离子体中涡旋现象的形成条件、发展过程及涡旋特征等方面进行深入研究。这方面的深入研究，特别是从实验上检验理论的正确性，不仅对涡旋理论本身有重要意义而且可加深激光等离子体相互作用的能量耗散机制以及不稳定性发展的认识。该项目的研究不仅是激光等离子体物理的前沿基础问题，而且在激光聚变、激光尾场加速器等方面有重要的潜在应用。

当超强激光与等离子体相互作用时，强的有质动力效应和相对论效应将导致许多非线性现象的产生，其中激光尾场中的涡旋形成是重要的非线性现象之一，其形成和发展对超强激光在等离子体中的传输、能量耗散和不稳定性发展都有重要影响，特别是作为一种重要的激光等离子体相互作用耗散机制还未被人们充分认识。.通过PIC数值模拟和理论分析，对涡旋的形成机制、演化特性进行了详细研究，提出了一种基于磁涡旋加速机制的产生超低发射度准单能离子束的方法，并探索了实验方法及能谱诊断方法。开展了质子照相模拟，提出了实验上区分涡旋和孤立子的诊断方法。开展了超强飞秒激光与次稠密等离子体相互作用过程的质子照相实验研究，获得了稳定通道的质子照相图像，结合PIC模拟提出了融合电磁孤立子产生的分离电场造成这个图像的原因，并给出了飞秒激光产生的等离子体通道中电场结构分布。.本项目的实施，从理论上对激光在次稠密等离子体中的传输特性有了更深的理解。提出基于磁涡旋的加速方法，有利于产生超低发射度的离子，这种离子束具有很重要的应用意义。通过实验的开展，诊断到的稳定通道结构说明激光频率下转换会有大量残留在等离子体中低频电磁波，并被等离子体包裹形成电磁孤立子，这些电磁孤立子逐渐融合而形成通道内的慢变电磁场遗迹结构。这对理解激光的能量耗散具有重要意义。本项目发表SCI论文3篇，EI论文1篇，授权专利2项，形成总结报告1项，参加学术会议2次，完成了该课题标的。