啁啾激光脉冲—等离子体加速及其应用研究

Recently, following the fast developments of ultrashort and ultrastrong laser technology, laser ion acceleration has been one of the most attractive research aspects of intense field physics. Ion beams of high energy produced by laser ion accelerators are very useful for medical as well as industrial applications,such as ion therapy and ion lithography, respectively. At present, ion beams with energies of dozens or even hundreds of MeV have been realized experimentally by employing PW laser pulses. The energy spread of ion beams is of the order of 15%. In this project, based on Particle-In-Cell (PIC) simulation codes we will study super short and super strong chirped laser pulse-plasma acceleration. The kinetic energies of ion beams produced by this acceleration scheme would be much higher, and the energy spreads would be much lower than in present experiments. Additionally, the roles of initial parameters of the chirped laser pulses and plasma targets in determining the quality of ion beams will be studied carefully. We will obtain the optimal acceleration condition of this acceleration scheme, and the ion beams of high quality for the applications of ion therapy and ion lithography will be produced in simulations. Besides, the basic physics processes of ion therapy and ion lithography will be simulated by PIC code.

近年来，随着超短超强激光技术的快速发展,新型激光粒子加速器已经成为强场物理的研究热点之一.激光粒子加速器产生的高能离子束在医疗和工业等领域（例如：离子治疗和离子刻蚀）有重要应用。目前,实验上已经实现了采用PW激光器加速获得几十甚至几百MeV的离子束，离子束能散度可以降低到15%左右。在本课题中，我们将采用Particle-In-Cell（PIC）仿真代码模拟研究超短超强啁啾激光脉冲-等离子体加速机制。在现有实验条件下，此机制有望在较大程度上提高离子束平均能量并降低离子束能散度。另外，通过研究啁啾激光脉冲和等离子体靶材的初始参数对离子束质量的影响规律，我们将得到啁啾激光脉冲-等离子体加速的最佳初始条件，并且，模拟产生能够用于离子治疗和离子刻蚀等领域的高质量离子束。此外，我们将采用PIC仿真代码模拟离子治疗和离子刻蚀的基本物理过程.

我们深入研究了超短超强啁啾激光脉冲传输理论，并且，编写了啁啾激光脉冲—等离子体加速机制的多粒子和PIC仿真代码。研究发现，在相同激光脉冲能量情况下，相比于长脉冲啁啾激光而言，由于加速场梯度更大超短啁啾激光脉冲加速带电粒子效率更高。在一定激光和靶材参数情况下，我们模拟产生了满足强子癌症治疗参数条件的高质量离子束，并且，进一步模拟研究了离子肿瘤治疗基本物理过程。在啁啾激光脉冲加速带电粒子机制中，通过引入合适的外加横向静磁场，被加速并已经远离强激光场区的电子可以被外加静磁场再次“拉回”到强激光场区，从而再一次被激光场加速并获得更高的能量增益。在激光粒子加速理论中，激光脉冲电磁场直接决定了带电粒子的动力学，因此，其类型的选取非常重要。我们研究了紧聚焦圆柱型矢量高斯激光束加速带电粒子机制。圆柱型矢量高斯激光束是麦克斯韦方程组的矢量光束解，它的聚焦特性可以被Richards-Wolf矢量衍射理论数值分析。和传统高斯激光束相比，圆柱型矢量高斯激光束电磁场的非对称性更加显著，从而更有利于带电粒子加速并获取高能量增益。研究还发现带电粒子和激光束的初始参数对带电粒子进入激光强场俘获区并获取高能量增益有重要的影响。因此，研究初始参数的最优化匹配问题有很重要的应用价值和理论意义。我们采用全局最优化方法对初始参数之间的匹配问题进行了详细研究，分别获得了带电粒子能量增益的局域优化条件和全局最优化参数匹配。这些研究成果和方法对相应的实验研究具有一定的指导和参考意义。此外，激光光束在介质中的传播问题也是研究重点之一。我们分别研究了修正空心高斯光束、像散空心高斯光束和具有轨道角动量的涡旋光束在强非局域非线性介质中的传输特性，并且，详细分析了光束初始相位、聚焦半径、横向光强分布和功率等等初始参数对其传输特性的影响。随着激光实验设施和技术的不断发展，这些目前主要在弱光领域被研究的特殊光束有望被引入到强光研究领域中，例如激光—等离子体加速研究。