與傳統(tǒng)射頻加速器相比,超強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的離子加速裝置可以在微米（μm）尺度建立TV/m的加速場(chǎng),使得加速距離大大縮短,有望建成“臺(tái)面式加速器”。激光加速產(chǎn)生的離子束源具有發(fā)射度低、脈寬短和亮度高等優(yōu)點(diǎn),在質(zhì)子照相、癌癥治療、溫稠密物質(zhì)產(chǎn)生和離子束驅(qū)動(dòng)的快點(diǎn)火慣性約束核聚變等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。因此強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)的離子加速在業(yè)界引起了廣泛關(guān)注,人們?cè)诟吣芰俊⒏咂焚|(zhì)離子束的產(chǎn)生和優(yōu)化方面已進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。近年來(lái),激光強(qiáng)度的大幅度提升和制靶技術(shù)的快速發(fā)展,使得激光與等離子體相互作用研究進(jìn)入了新的階段,為新型離子加速機(jī)制（如Break-out Afterburner,BOA和輻射壓加速）和新型輻射源（如高次諧波、x射線）等的研究提供了機(jī)遇的同時(shí),也帶來(lái)了新的挑戰(zhàn),其中亟待解決的是激光脈沖對(duì)比度問(wèn)題,其根源在于激光預(yù)脈沖制約著激光與等離子體相互作用過(guò)程。因此,本論文主要圍繞如何利用超薄納米靶作為等離子體光學(xué)快門(mén)來(lái)提升激光脈沖對(duì)比度,并同時(shí)調(diào)控預(yù)等離子體空間密度分布,進(jìn)而增強(qiáng)質(zhì)子加速和優(yōu)化質(zhì)子束源品質(zhì)來(lái)展開(kāi)。論文主要包括以下四個(gè)方面:第一部分（第一章與第二章）簡(jiǎn)要介紹激光技術(shù)的發(fā)展歷程、激... 

【文章來(lái)源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：149 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

–1激光聚焦強(qiáng)度的發(fā)展歷程以及相應(yīng)的物理機(jī)制[26]

基于等離子體快門(mén)的超強(qiáng)激光質(zhì)子加速研究上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文v∥(t)=a20c4[1cos(2ωLt)]ex,→x(t)=a20c4[tsin(2ωLt)2ωL].(1–13)這里，x=0為電子的初始位置，那么電子在xy平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)滿足的軌跡方程為：(xωLt4a20)=±14y(a20y2)1/2.(1–14)從上式可以看出:電子的橫向運(yùn)動(dòng)正比于a0，縱向運(yùn)動(dòng)則正比于a20。隨著a0的增大（a0>1），電子的縱向運(yùn)動(dòng)相比其橫向振蕩越來(lái)越顯著，這使得電子的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)出典型的“8”字型結(jié)構(gòu)[31–33]。如果自由電子在圓偏振激光場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，那么激光場(chǎng)矢勢(shì)為A0=A0(ey±iez)，同理，我們可以得到：I0=1.37×1018Wcm2μm22a20λ2L.(1–15)相對(duì)論因子γ也可用激光場(chǎng)歸一化矢勢(shì)來(lái)表示，在一個(gè)激光周期內(nèi)，γ=(1+a2)1/2。對(duì)于線偏振光，γ=(1+a20/2)1/2；對(duì)于圓偏振光，則有γ=(1+a20)1/2。1.3.2.2有質(zhì)動(dòng)力圖1–2帶電粒子在線偏振激光場(chǎng)中受到有質(zhì)動(dòng)力的影響示意圖[34]。Fig.1–2Schematicoftheponderomotiveforceeffectonachargedparticle(bluesphere)foralinearlypolarisedlaserpulse.前面的討論中電子是在均勻平面電磁波中運(yùn)動(dòng)，其電場(chǎng)和磁場(chǎng)在空間上和時(shí)間上都是均勻分布的。電子圍繞激光場(chǎng)中心平衡點(diǎn)振蕩，經(jīng)過(guò)周期平均后，電子依然回到中心平衡點(diǎn)附近，其在縱向方向上的平均位移為零，在光場(chǎng)中也沒(méi)有獲得凈能量。然而，在實(shí)際情況中，激光與等離子體相互作用時(shí)往往是緊聚焦的，其空間分布是有限維度的，且高度色散。這使得電子在這種非均勻緩變電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，會(huì)逐漸偏離原有的中心平衡點(diǎn)位置。如圖1–2所示，在前半個(gè)光周期內(nèi)，電子從場(chǎng)強(qiáng)最強(qiáng)的光波中心位置開(kāi)始沿著—6—

上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文第一章緒論溫度已達(dá)到MeV量級(jí)，電子與離子之間的碰撞頻率遠(yuǎn)小于入射激光的頻率，因而各種非碰撞吸收機(jī)制開(kāi)始占主導(dǎo)。激光能量轉(zhuǎn)化為等離子體波（靜電等離子體波-Langmuir波和離子聲波）的能量，隨后再通過(guò)不同的耗散機(jī)制轉(zhuǎn)化為等離子體無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的熱能，從而使等離子體溫度(主要是電子溫度)升高[37]。圖1–3電子加熱的幾種機(jī)制示意圖[38]。Fig.1–3Schematicillustratingelectronheatingmechanisms.激光與等離子體能量耦合過(guò)程中涉及到一個(gè)重要的參數(shù)：等離子體密度分布或者等離子體密度標(biāo)長(zhǎng)。我們知道，實(shí)際中激光脈沖包絡(luò)往往不是一個(gè)完美的單峰結(jié)構(gòu)。一般會(huì)在主峰之前存在一個(gè)持續(xù)幾個(gè)納秒的自發(fā)輻射放大(AmlifiedSpontaneousEmission,ASE)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，幾個(gè)到幾十納秒范圍內(nèi)由于多通放大散射的飛秒預(yù)脈沖和皮秒尺度的脈沖上升沿。這些預(yù)脈沖會(huì)事先預(yù)熱電離靶材料表面，形成一定尺度的較低密度的預(yù)等離子體區(qū)域。這一區(qū)域的密度分布一般可以按指數(shù)衰減[39]來(lái)近似：ne(x)=n0exp(x/Ls)。其中，x是遠(yuǎn)離靶面的距離，n0是靶的初始密度，Ls是等離子體的密度標(biāo)長(zhǎng)，定義為L(zhǎng)s=ne/(dne/dx)，表征了預(yù)等離子體的縱向密度分布梯度變化尺度。若是等溫膨脹，可以近似為L(zhǎng)s=CsτL，這里Cs=√kB(ZTe+Ti)mi為離子聲速，τL為激光脈寬。等離子體密度分布會(huì)在很大程度上影響激光到等離子體的能量耦合和轉(zhuǎn)化—9—

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]超強(qiáng)激光與超薄固體靶相互作用的非線性物理過(guò)程研究[D]. 鄒德濱.國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 2011



本文編號(hào)：3441476