激光等离子体加速机制研究综述.doc

一文献综述激光等离子体加速机制研究综述1研究现状随着激光技术的发展激光强度不断增强脉宽不断缩短对激光等离子体相互作用的研究开辟出了许多新的领域。激光与等离子体相互作用与激光的强度、波长、脉宽等离子体状态参数（最主要是密度）密切相关。随着激光强度变大开始是线性响应然后随着激光不断增强非线性效应和相对论效应开始占主导。当强度超过1018W/cm2电子的相对论效应必须考虑加剧了理论研究难度但也催生了更多的物理现象产生。比如非线性波跛、超高能粒子产生、相对论孤子和涡旋。而根据等离子体的密度不同激光与等离子体作用可以分为稀薄等离子体（同气体靶作用）和稠密等离子体（同液、固体作用）。对于1微米的激光能在等离子体中传播的临界密度是1.1×1021cm-3介于气体密度与固液密度之间。激光脉宽的减小使得激光等离子体相互作用出现新的物理现象。fs级别的脉宽对稀薄等离子体可以通过直接的LWFA来加速电子。超短超强激光驱动电子等离子体加速电子可获得能量高达1GeV、电荷接近1nc、方向性优良、能散度小的高性能电子束从而在高能加速器、聚变物理、短脉冲高亮度X光源产生、实现小型化自由电子激光等领域都有重大的应用价值。研究激光同等离子体如何作用及粒子加速的机制具有非常重要的意义与价值。图1、激光强度在CPA技术突破后大幅增强首先激光同等离子体作用的第一步是材料对激光的吸收除了普通的逆轫致吸收和共振吸收在高强度相对论激光还有很多吸收机制比如真空加热J×B加热有质动力直接加速离子鞘场加速等等下面根据加速粒子不同逐一介绍各种加速机制1979年Tajima和Dawson提出用强激光脉冲激发等离子体波来加速电子的机制这就是直接激光尾场加速（LWFA）[1]原理是超强超短激光脉冲在稀薄等离子体中传播时纵向的非线性力——有质动力(Fp=-q2▽a02/4mw2）将电子推开共振激发出等离子体波（尾波场）。很大的振幅和相速度使得尾波场可以在短距离内将电子加速到高能量。后续又有人提出了各种激光激发等离子体波加速电子的理论方案比如等离子体拍频波加速（PBWA）[2]自调制激光尾波加速（SM-LWFA）[3]和多脉冲激光共振加速（MP-LWFA）[4]。但由于受激光技术的限制大多只能进行理论研究后来基于啁啾脉冲放大技术CPA的紧凑T瓦级激光系统的出现fs级别的超强激光脉冲的产生使得人们对LWFA单个激光脉冲直接直接加速的研究又有了进展。2002年Pukhov和Merter提出了空泡加速机制后续又有人发展了三维的空泡加速的非线性理论并给出了定表关系。人们还广泛研究了等离子体通道形成、激光脉冲的自导引、和电子注入机制等。近年来等离子研究的活跃领域是激光等离子体相互作用下的离子加速因为有广泛的潜在应用诸如离子束治疗癌症质子束照相惯性约束聚变中的快点火等。高能离子束能从强激光脉冲与薄靶相互作用得到。粒子网格模拟和分析发现超薄等离子体中的辐射压力加速能产生大量的高能离子。线性调频脉冲放大技术的发展使得激光强度峰值达到I~1022W/cm2并且电子对比率超过1010实现了在RPA机制下产生高能量密度离子。由于离子质量相比电子很大有质动力只有相同情况下电子的千分之一不到在现有激光强度下无法直接加速也无法再尾波场中加速。但是激光的能量可以通过各种机制有效的转换成电子的热能和动能而通过这些高能电子集体运动的效应就可以产生各种不同的离子加速机制根据激光强度、脉宽、等离子体密度分布、厚度与形状等参数的不同可以分为激波加速[5]、鞘场加速[6]、辐射压力加速[7]等。下面是一个离子加速的示意图无碰撞静电激波加速（CESA）是中等强度的激光在一定密度等离子体内传播激发了一个静电激波它可以把离子反射出去实现加速作用。最先是Denavit等通过计算机模拟发现的后来Sliva、Sorasio、Wei等都各自在不同模拟与实验中发展证实了这种机制。鞘场加速（TNSA）是激光与固体靶作用加热产生MeV的热电子它们穿过固体靶在靶后形成一个鞘层电场使得鞘背原子电离并将电离出的离子加速到很高能量不过这种机制下能量装换效率低下离子不具有单能性。激光辐射压力加速（RPA）是超强激光打在薄靶上激光的有质动力将电子压缩为一个高密度的电子薄层产生一个很强的电荷分离场将离子拉动这个过程反复进行使得整个薄靶被加速到很高能量效率高且加速离子单能性较好。相比其他机制需要更大的激光强度与非常好的对比度使得实验上比较困难。2009年Henig等人在较低激光强度的实验下证实了这种机制。在过去的几年里圆偏振（CP）激光被广泛应用于R