與傳統(tǒng)射頻加速器相比,超強激光驅動的離子加速裝置可以在微米（μm）尺度建立TV/m的加速場,使得加速距離大大縮短,有望建成“臺面式加速器”。激光加速產生的離子束源具有發(fā)射度低、脈寬短和亮度高等優(yōu)點,在質子照相、癌癥治療、溫稠密物質產生和離子束驅動的快點火慣性約束核聚變等方面具有重要的應用價值。因此強激光驅動的離子加速在業(yè)界引起了廣泛關注,人們在高能量、高品質離子束的產生和優(yōu)化方面已進行了大量的理論和實驗研究。近年來,激光強度的大幅度提升和制靶技術的快速發(fā)展,使得激光與等離子體相互作用研究進入了新的階段,為新型離子加速機制（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）等的研究提供了機遇的同時,也帶來了新的挑戰(zhàn),其中亟待解決的是激光脈沖對比度問題,其根源在于激光預脈沖制約著激光與等離子體相互作用過程。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快門來提升激光脈沖對比度,并同時調控預等離子體空間密度分布,進而增強質子加速和優(yōu)化質子束源品質來展開。論文主要包括以下四個方面:第一部分（第一章與第二章）簡要介紹激光技術的發(fā)展歷程、激... 

【文章來源】：上海交通大學上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學位級別】：博士

【部分圖文】：

–1激光聚焦強度的發(fā)展歷程以及相應的物理機制[26]

基于等離子體快門的超強激光質子加速研究上海交通大學博士學位論文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平面內運動滿足的軌跡方程為：(xωLt4a20)=±14y(a20y2)1/2.(1–14)從上式可以看出:電子的橫向運動正比于a0，縱向運動則正比于a20。隨著a0的增大（a0>1），電子的縱向運動相比其橫向振蕩越來越顯著，這使得電子的運動軌跡呈現(xiàn)出典型的“8”字型結構[31–33]。如果自由電子在圓偏振激光場中運動，那么激光場矢勢為A0=A0(ey±iez)，同理，我們可以得到：I0=1.37×1018Wcm2μm22a20λ2L.(1–15)相對論因子γ也可用激光場歸一化矢勢來表示，在一個激光周期內，γ=(1+a2)1/2。對于線偏振光，γ=(1+a20/2)1/2；對于圓偏振光，則有γ=(1+a20)1/2。1.3.2.2有質動力圖1–2帶電粒子在線偏振激光場中受到有質動力的影響示意圖[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動，其電場和磁場在空間上和時間上都是均勻分布的。電子圍繞激光場中心平衡點振蕩，經過周期平均后，電子依然回到中心平衡點附近，其在縱向方向上的平均位移為零，在光場中也沒有獲得凈能量。然而，在實際情況中，激光與等離子體相互作用時往往是緊聚焦的，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中運動，會逐漸偏離原有的中心平衡點位置。如圖1–2所示，在前半個光周期內，電子從場強最強的光波中心位置開始沿著—6—

上海交通大學博士學位論文第一章緒論溫度已達到MeV量級，電子與離子之間的碰撞頻率遠小于入射激光的頻率，因而各種非碰撞吸收機制開始占主導。激光能量轉化為等離子體波（靜電等離子體波-Langmuir波和離子聲波）的能量，隨后再通過不同的耗散機制轉化為等離子體無規(guī)則運動的熱能，從而使等離子體溫度(主要是電子溫度)升高[37]。圖1–3電子加熱的幾種機制示意圖[38]。Fig.1–3Schematicillustratingelectronheatingmechanisms.激光與等離子體能量耦合過程中涉及到一個重要的參數(shù)：等離子體密度分布或者等離子體密度標長。我們知道，實際中激光脈沖包絡往往不是一個完美的單峰結構。一般會在主峰之前存在一個持續(xù)幾個納秒的自發(fā)輻射放大(AmlifiedSpontaneousEmission,ASE)平臺結構，幾個到幾十納秒范圍內由于多通放大散射的飛秒預脈沖和皮秒尺度的脈沖上升沿。這些預脈沖會事先預熱電離靶材料表面，形成一定尺度的較低密度的預等離子體區(qū)域。這一區(qū)域的密度分布一般可以按指數(shù)衰減[39]來近似：ne(x)=n0exp(x/Ls)。其中，x是遠離靶面的距離，n0是靶的初始密度，Ls是等離子體的密度標長，定義為Ls=ne/(dne/dx)，表征了預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Ls=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在很大程度上影響激光到等離子體的能量耦合和轉化—9—

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Characterization and application of plasma mirror for ultra-intense femtosecond lasers[J]. 葛緒雷,方遠,楊骕,魏文青,劉峰,袁鵬,馬金貴,趙利,遠曉輝,張杰.  Chinese Optics Letters. 2018(01)
[2]Studies of collisionless shockwaves using high-power laser pulses in laboratories[J]. 袁大偉,李玉同.  Chinese Physics B. 2015(01)
[3]等離子體開關在TEACO2激光倍頻中的應用[J]. 任德明,張莉莉,曲彥臣,黃金哲,胡孝勇.  中國激光. 2004(09)
[4]TEA CO2激光脈沖整形用等離子體開關技術的進展[J]. 任德明,胡孝勇,周波,曲彥臣,劉逢梅.  激光技術. 2001(06)
[5]實驗室天體物理學簡介[J]. 張杰,趙剛.  物理. 2000(07)

博士論文
[1]相對論強度激光驅動的質子加速研究[D]. 方遠.上海交通大學 2017
[2]超強激光與等離子體相互作用中超熱電子的產生和輸運研究[D]. 楊曉虎.國防科學技術大學 2012
[3]飛秒激光等離子體光學診斷和自生磁場實驗研究[D]. 李玉同.中國工程物理研究院 2001

碩士論文
[1]超強激光與超薄固體靶相互作用的非線性物理過程研究[D]. 鄒德濱.國防科學技術大學 2011



本文編號：3441476