飞秒相对论强激光驱动空泡机制加速质子的研究

高性能质子束应用领域广阔，目前的质子加速机制中，除了很难再突破的靶后鞘层加速机制外，最有潜力的是圆偏振激光驱动光压加速，但其在实验上实施有很多困难。本项目研究的飞秒相对论强激光驱动空泡加速质子机制，即采用嵌有固体小靶的稀薄等离子体靶，集合了光压加速机制和空泡加速机制的双重优点，对激光的对比度要求并不苛刻，且避免了多维不稳定效应的破坏影响，易于实现超高能量质子束的加速。本项目主要研究内容为：1、研究飞秒相对论强激光驱动空泡机制加速质子中的定标关系并获得能量为100GeV以上的超高能质子束方案。2、研究固体小靶参数对飞秒相对论强激光驱动空泡加速质子机制的影响。3、研究激光偏振性、焦斑尺寸等对空泡加速质子机制的影响以及被加速质子束的聚束效果。开展这一方向的专门研究，不仅有助于揭示这种新型质子加速机制的物理本质，而且对以后的实验实施提供理论依据和指导作用，具有重大的实用价值和潜在的经济效益。

高性能质子束应用领域广阔，目前的质子加速机制中，光压加速机制获得的质子束无论在性能方面还是在能量转换效率方面都具有较大的优势。这种加速机制对实验条件要求较为苛刻，更为重要的是很难将离子加速到几百甚至TeV量级。本课题研究的飞秒相对论强激光驱动空泡加速质子机制，采用嵌有固体小靶的稀薄等离子体靶，集合了光压加速机制和空泡加速机制的双重优点，对激光的对比度要求并不苛刻，且避免了多维不稳定效应的破坏影响，易于实现超高能量质子束的加速。在过去的三年中，本课题研究了利用目前可获得的飞秒相对论强激光驱动光压和空泡联合机制获得高性能质子束，如采用强度为1022 W/cm2的激光脉冲作用可获得能量为15GeV的质子束；为了实现更稳定的加速，还研究了外部注入机制，通过采用激光模式选择和等离子体通道的途径使得质子束横向被很好的约束和加速，同时激光强度可以进一步降低；研究了超短超强激光作用在嵌有高密度小靶的低密度背景等离子体上，利用光压加速机制联合空泡加速机制获得超高能量质子束。发现采用横向超高斯的激光脉冲时，质子束能量大大提高；为了实现长时间稳定加速，获得TeV量级能量，我们还利用中空等离子体通道等方式采用高能质子束驱动产生的尾波场进行加速研究，并举得较好的结果。本课题在研究飞秒相对论强激光驱动空泡（尾波场）加速质子的同时，还对它涉及的强激光驱动光压加速和空泡（尾波场）加速两方面也进行了更加细致的研究，在应用上也有很大的发展空间，如基于激光等离子体相互作用的电子辐射有望成为新型的x射线源，基于激光薄膜靶作用的超短（阿秒）脉冲产生方案避免了传统方法中材料损伤引起的强度限制。本课题研究内容对以后的实验实施提供理论和指导作用。