超强激光与近临界密度等离子体相互作用的动力学过程及离子加速研究

The advances in laser technologies enable the cupious investigations on ultrashort intense laser interaction with near-critical-density (NCD) plasma. Plentiful intriguing phenomena such as collisionless shock, relativistic electromagnetic soliton and electron vortex have been explored theoretically. As an intermediary plasma parameter regime, great efforts were motivated by the potential to produce novel x-ray source and ultrashort neutron beam of unprecedented brightness due to high-energy-density electron beam generation. Ion beams with improved quality and efficiency may also be produced with novel mechanisms i.e. collisionless shock and magnetic-vortex accelerations. However, the lack of NCD plasma device and limitations of optical probe diagnostic inhibits the experimental investigations. The recent progress in gas-jet targetary makes it possible for the first time to reach the near-critical regime. In this project, we plan to use this system to explorer the spatio-temporal dynamics and corresponding ion acceleration of NCD plasma with proton probe technology based on the Xingguang III laser facility. The study will extend our knowledge of plasma physics in this less-explored regime, build the fundamental blocks for novel particle and radiation sources development and significantly increase the impact of our national research in this field.

激光技术的快速发展使得超强激光与近临界密度（NCD）等离子体相互作用的研究受到越来越多的关注。数值模拟发现，该参数区间强烈的非线性过程可以产生冲击波、相对论电磁孤子等新颖的结构，基于这些新结构的冲击波加速、磁涡旋加速等离子加速新方案有望大幅提高激光加速离子束的品质和效率。产生的高能量密度电子束将驱动前所未有高亮度的x射线源和超短脉冲中子束。但目前针对NCD等离子体的实验结果相对较少，其主要原因是缺乏针对该参数区间等离子体结构及相互作用动力学过程的有效诊断方法，加速离子的能量也远低于预期。本项目依托星光III激光装置，基于数年努力发展的近临界密度气体靶系统，利用高品质激光加速质子束作为带电粒子探针，对强激光在NCD等离子体中的传输、等离子体结构的时空演化、以及各种结构对离子加速的影响开展深入的研究，建立等离子体结构与加速离子截止能量的定标率。

近临界密度（NCD）是极其重要的一个等离子体密度参数区间，为新型的离子加速机制以及超快辐射源提供了重要的研究区间，目前关于NCD等离子体的实验研究相对较少，尤其是针对时空演化动力学过程的研究极为缺乏。本项目围绕超强激光NCD气体靶相互作用的动力学特性和离子加速开展了一系列实验和理论研究：1、利用光学探针和质子照相对比研究了NCD等离子体结构，获得了不同密度等离子体结构的动力学过程和演化特性，利用质子探针发现了等离子体“黑腔”内的精细结构。2、深入研究了激光在NCD等离子体中的能量沉积与光谱演化，我们着重于在激光脉冲中引入二阶色散来改变激光脉宽来研究相互作用过程中二阶色散的参数依赖，并通过二阶色散带来的频率啁啾来实现对受激拉曼散射过程的调控。我们发现，随着二阶色散量的增大背向SRS显著增强，散射光强度正比于驱动脉冲宽度，侧向成丝的角度具有空间位置依赖性，可以用包括朗道阻尼和阈上电离的模型进行解释。3、NCD气体靶的能够提供稳定、干净、高重复频率的离子源，拥有着良好的应用前景，但其缺点是过长的等离子体密度标长（~100μm），我们研究了皮秒激光与纳秒光烧蚀整形后的NCD等离子体的相互作用，并开展了整形等离子体的离子加速研究。结果表明，与未整形的气体密度分布相比，ns气体密度分布整形后，被加速离子角分布得到了极大的调制，在优化的参数下，He2+离子最大截止能量提高约2倍，同能量的离子数目被提高了约一个数量级，能谱形状的差异表明，He+离子的产生不仅来源于He2+的复合，还可能存在其他过程。4、我们利用粒子模拟程序对超短超强激光与近临界密度等离子体相互作用中的电子涡旋的形成和运动规律开展详细的理论和数值模拟研究。我们主要研究不同密度区间下电子涡旋的动力学过程以及诱导的无碰撞静电冲击波，厘清了不同条件下电子涡旋的形成和动力学演化过程以及产生的效应。本项目整理发表相关文章6篇，培养博士生3名，博士后1名。