超短超强激光与固体靶相互作用中发射质子的截止能量估算
超短超强激光辐照靶物质产生K-alpha源
超短超强激光辐照靶物质产生K-alpha源王向贤【摘要】超短超强激光与物质相互作用产生的K-alpha线辐射,有准单能、发射区域小、时间短等优点,具有广泛的应用前景.介绍了超短超强激光辐照靶物质产生K-alpha源的基本原理及其主要研究内容,讨论了该领域的研究热点.【期刊名称】《巢湖学院学报》【年(卷),期】2011(013)003【总页数】4页(P45-47,110)【关键词】超短超强激光;K-alpha源;基本原理【作者】王向贤【作者单位】巢湖学院物理与电子科学系,安徽巢湖238000【正文语种】中文【中图分类】O434超短超强激光与物质相互作用产生的K-alpha线辐射。
有准单能（几十个keV）、发射区域小（微米量级），时间短（飞秒-皮秒量级）等优点[1,2]。
可广泛应用于惯性约束聚变背光照相，医学成像，光刻，时间分辨X射线衍射等领域。
同时，超短超强激光与物质相互作用中超热电子辐射是强场物理的重要研究内容之一，而K-alpha线的产生和超热电子直接相关，故可以通过研究K-alpha线辐射研究超短超强激光与物质相关作用产生的超热电子。
如图1所示，用超短超强激光脉冲辐照靶物质，如铝（Al）、铜（Cu）、金（Au）等，激光与靶物质的耦合将产生超热电子，超热电子向靶中输运，碰撞电离1S轨道电子，使得1S轨道产生空穴，此时2P轨道电子将向1S轨道跃迁，产生K-alpha光子辐射，产生的K-alpha线辐射包括K-alpha1线和K-alpha2线[3]，分别对应于跃迁22P3/2→12S1/2 和22P1/2→12S1/2。
基于超短超强激光脉冲驱动的K-alpha源的实验布局如图2所示。
主激光经全反射镜反射后，被离轴抛面镜聚焦到铜等靶物质上。
X射线光谱仪（如：光子计数型CCD、晶体谱仪等）用于测量K-alpha线光谱，安装在与入射激光处于同一水平面的靶室法兰上（靶前、靶后位置均可），电子谱仪可同时在线测量实验产生的超热电子能谱。
超热电子渡越辐射与高能质子发射的比较研究
摘要： 在超短超强激光－ 固体靶相互作 用过程中 ， 通过对超热 电子输运产生 的渡越辐射光 斑与高能质 子 发射 的空间分布图案进行 比较 ， 渡越辐射光斑与高能质子发射 的空 间分布图案非常相似 ， 都呈圆盘状． 过 通 对渡越辐射光强 随靶厚度 的关 系曲线 、 超热 电子输运能量沉积随靶厚度的关系曲线 以及文献 中已有 的高能 质子能量随靶厚度 的关 系曲线进 行比较 ， 曲线 的形 状也非常相似 ， ３条 都在 １ 脚靶厚 度处存 在转折点． ０ 分 析表明 ， 超热 电子输运产生的渡越辐射与高能质子发射存 在一定 的内在联系 ， 而这个联 系就是 超热 电子输
收稿 日期 ：０ ７－ ９ ２ ２０ ０ － ８
基金项 目： 国家 自然科学基金 （０ ３ ０ ０ 和四川省青年科技基金 （６ Ｑ ２ －５ ） １５ ５ ３ ） ｏ ｚ Ｏ ６０ ３ 资助项 日 联 系作者简介 ： 王光昶（ ９９ ） 男 ， １６ 一 ， 副教授 ， 主要从事超短超强激光与等离子体相互作用 的研究
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２０ ０ ８年 ５月
四川师范大学学报 （ 自然科学 版）
Ｊｕｎ ｆ ｉ ｕｎＮ ｒ ａ Ｕ ｉ ｒ ｔ（ ａ ｒ ｃｅｃ ） ｏｒａ ｏ Ｓｅ ａ ｏｍ ｌ ｎｖ ｓ ｙ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｅ ｌ ｈ ｅｉ ｕｌ ｎ
ＭＢ ， ０ ８ ｙ２ ０ Ｖｏ． １． ｏ ３ １３ Ｎ ．
的参数范围得 以极大 的拓展 ， 为许多前沿科学提供 了前 所 未 有 的研 究 条 件 和 发 展 机 遇 Ｊ如 电 子 加 ，
速、 质子 加速 、 超短脉 冲中子源 、 超短 脉 冲 ｘ 射线 辐 射、 超热 电子 渡 越 辐 射 ｌ 、 ＿ 阿秒 物理 、 热 物 质 以 ５ 超
超短脉冲激光技术-PPT
2N+1个振荡得模经过锁相以后,总得光场变为频率为ω0得调幅
波。振幅Ａ(t)就是一随时间变化得周期函数
为讨论方便,假定α = 0,则
7个纵模锁定后得输出光强
具有如下性质:
(1)激光器得输出就是间隔为τ=2L/c得规则脉冲序列
(2)每个脉冲得宽度
1 2N 1
1 q
,可见增益线宽愈宽,愈可能得到
驰豫振荡产生得激光脉冲得特点: l脉冲得峰值功率低 l增大抽运能量只会增加小尖峰得个数 l脉宽度约为ms量级
驰豫振荡示意图
调Q原理
驰豫振荡脉冲能量低得原因在于每个脉冲总在阈值附近产生
要产生高能量脉冲,必须控制腔内损耗,即调节腔内得品质因数Q
设法在光泵浦初期将激光器内得振荡阈值调高,从而抑制激光振 荡,使工作物质得上能级粒子数得到积累。随着光泵得继续激励, 上能级粒子数逐渐积累到最大值。此时,突然将器件得阈值调低, 那么,积累在上能级得大量粒子便雪崩式地跃到激光下能级,从而 获得贬值功率极高得激光脉冲输出。
被动锁模原理
在没有发生锁模以前,假设腔内光子得分布基 本上就是均匀得,但还有一些起伏。由于染料 具有可饱与吸收得特性,弱得信号透过率小, 受到得损耗大,而强得信号则透过率大,损耗 小,且其损耗可通过工作物质得放大得到补偿。 所以光脉冲每经过染料与工作物质一次。其 强弱信号得强度相对值就改变一次,在腔内多 次循环后,极大值与极小值之差会越来越大。 脉冲得前沿不断被削陡,而尖峰部分能有效地 通过,则使脉冲变窄。
可饱与吸收体得吸收特性
被动锁模过程
Intensity
Short time (fs)
k= 1 k= 2 k= 3
k= 7
激光等离子体加速机制研究综述
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1 n c、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(F p=-q2▽a02/4mw2）将电子推开，共振激发出等离子体波（尾波场）。
H+、H2+-、H3+在固体中的能量损失理论计算
H+、H2+-、H3+在固体中的能量损失理论计算氢分子尾流效应众所周知，快分子离子穿过固体薄膜平均能量损失不同于相同速率组成快分子离子的核子，这就叫尾流效应。
它不仅被记录下来，而且出现这种效应的基本过程有了相对好的理解。
根据阻止的线性理论[14,15]，簇中的主要离子在后续离子周围引起电子密度波动。
这种波动像移动的船在水中产生的尾巴，造成后续离子阻止不同于相同速率孤立的质子。
簇的阻止不同于两个不相关的质子，这种现象被发现是由速率和核的相对位置决定的。
带正电荷的快分子离子在穿过薄碳膜时，会使附近的电子发生径向取向方向一致，而引起一个电子极化尾迹，使路径附近的电子密度增加，结果对后面通过的带电离子产生方向上的阻止或偏离作用。
尾流效应是分子组成部分在介质中产生的尾势的干涉模型相干效应最直接的表现。
在这种情况下，阻止比不等于1。
只要分子组成以相关的方式运动，尾流效应就会起作用。
当分子进入靶物质，驻留时间增加，与多重散射关联的库伦爆炸[16]把分子碎片相互之间推开，减少它们的关联。
因此，对于大穿透深度或低散射速率情形，尾流效应趋于消失，阻止比趋于1。
因此，观察分子和簇束的能损尾流效应需要很薄的膜。
在进行快分子离子与固体相互作用的理论和实验的研究过程中，Vager等人已从发展起来的尾流效应的等离子体模型中被证明是一种很成功的理论模型[17]。
从电磁理论中可知，极化电荷与束流电荷对应的傅里叶分量有:, （23）相应的随时间变化的极化电荷密度为, （24）其中分别对应的参数为:为介电常数，以上(24)式是沿束流方向的线电荷分布函数。
要对(24)式的求解则需要介电常数的形式。
在Vager等人引入的等离子体模型中，可以表述为:, （25）在(25)式中ωP为固体介质的等离子体频率，表述为，n是固体中参与共振运动的平均电子密度，对薄碳膜而言，其取值为4.5。
将（25）式带入（24）式中积分后可得到：， （26）式中a=v/v p,，在这里，空间中的振动的线密度电荷分布，其中波长，通常在几个nm 内，表明这种极化波只在束流粒子之后才存在，在这之前没有。
上海光机所超强超短激光驱动的小型化自由电子激光新概念
在轨相干激光通信试验，实现了在星地链路距离 １０００ｋｍ
以上、低仰角（２０ 度左右），下行通信速率 ５．１２Ｇｂｐｓ 条
件下，并成功进行了图像传输，图片传输清晰；同时也进
行上行 ＰＰＭ 调制直接通信，通信速率 ２０Ｍｂｐｓ。
星地高速相干激光通信实验载荷由上海光机所牵头负
责，上海微小卫星研究中心、上海技术物理所、中科院光
自由电子激光被称为第四代光源，可以提供从远红外 到 Ｘ 射线波段的高亮度相干辐射，在物理、化学、材料科学、 生命科学等领域具有前所未有的革命性应用价值。传统的 自由电子激光基于射频加速器产生高能电子束，再利用周 期性排布的磁铁构成的波荡器对电子束进行扭摆与调制， 最后辐射出高亮度相干辐射。无论是射频电子加速器或由 周期性磁铁构成的电子波荡器都是体积庞大，造价昂贵。 发展小型化、低成本的新一代自由电子激光，包括台式化 的电子加速器和波荡器是科学界一直梦寐以求追逐的重大 目标。
上海光机所高功率激光单元技术研发中心廖梅松研究 员所带领的非线性光纤课题组刘垠垚、吴达坤等人在高非 线性光子晶体光纤的研制方面取得了重要进展。
高非线性光子晶体光纤由于具有普通阶跃型光纤所不 具备的特殊色散和高非线性，是产生超连续谱激光的核心 器件。超连续谱是一种具有超宽的光谱和高度方向性的高 亮度宽带光源，在生物医学、超快光谱学、光纤通信、高 分辨成像、传感技术等方面有着重要应用。
上海光机所星地高速相干激光通信实验成功完成在轨测试
低仰角过境时的通信速率 １２Ｇｂｐｓ 速率下图像传输效果
２０１６ 年 ８ 月 １６ 日，由上海光机所牵头研制的星地高
速相干激光通信实验载荷搭载量子卫星成功发射。２０１６ 年
１２ 月 ２８ 日至 ２０１７ 年 １ 月 １５ 日，高速相干激光通信载荷
【国家自然科学基金】_固体靶_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140801
推荐指数 6 6 5 4 3 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
科研热词 超热电子 超强脉冲激光 能谱 相干渡越辐射 渡越辐射 固体靶 共振吸收 光学渡越辐射 fs激光
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
科研热词 固体靶 高密度等离子体 飞秒激光 超短超强激光 超热电子 薄膜靶 能量分布 细致结构能谱 粒子模拟 等离子体辐射 空间分布 离子谱学 相对论强激光 相互作用 激光场放大 激光反射强度 激光-铜靶 激光 渡越辐射 正电子 椭圆弯晶 时间特性 时间分辨光谱 太赫兹辐射 光辐射 俘获波 γ 射线 geant4程序
2008年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
科研热词 飞秒激光 超热电子 静电场 能量沉积 输运 超短超强激光 渡越辐射 高能质子发射 靶背法向鞘层加速 阿秒脉冲 输运特性 超热电子束 超快光学 质子加速 表面准静态电磁场 能谱 红移 粒子模拟 等离子体标长 等离子体 稳相加速 移动窗口 相干辐射 相干渡越辐射 激光等离子体 激光烧蚀 注量 时间分辨阴影图 截止能量,有质动力势 并行计算 圆偏振 单能 不稳定性
2010年 序号 1 2 3 4
科研热词 飞秒激光 超热电子束 渡越辐射 传输特性
超强激光场物理学_孟绍贤
1 强光场的基本理论
我们知道光是电磁场的一种形式 , 在自由空间中 , 电磁场的运动规律满足齐次麦克斯
维方程组(ρ=0 , J =0 情况)
XE
=-
H0 (A/ m) 7 .3·10 3 2 .3·10 4 7 .3·10 4 2 .3·10 5 7 .3·10 5 2 .3·10 6 7 .3·10 6 2 .3·10 7 7 .3·10 7 2 .3·10 8 7 .3·10 8 2 .3·10 9 7 .3·10 9 2 .3·1010 7 .3·1010 2 .3·1011 7 .3·1011 2 .3·1012
W (J/ m3) 6 .7·10 6 .7·102 6 .7·103 6 .7·104 6 .7·105 6 .7·106 6 .7·107 6 .7·108 6 .7·109 6 .7·10 10 6 .7·10 11 6 .7·10 12 6 .7·10 13 6 .7·10 14 6 .7·10 15 6 .7·10 16 6 .7·10 17 6 .7·10 18
=
1 2
mv2
=
1 2
me(v
2 x
+v
2 y
)
将(16)式代入(17)式 :
εos
=
1 2
m
1 2
eE0 me ω0
2
+
1 2
eE 0 α 2 me ω0
=
1 4
em2eEω2020(1 +α2)
下面讨论电磁场与氢原子和类氢原子的相互作用问题 。
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速 ， 利 用 Ｍｕ ｉ０ ５计 算 了激光 预 脉 冲对 靶后 表面 加速 质子 的 影 响 。 并 ｈ２ ０
１ 质 子 加 速 机 制
超 短 超 强 激 光 与 固 体 靶 相 互 作 用 中 ， 速 质 子 的 机 制 主 要 有 两 种 ： 前 表 面 加 速 和 靶 背 法 向鞘 层 加 速 加 靶
超 短 超 强 激 光 与 固体 靶 相 互 作 用 中 发 射 质 子 的截 止 能 量 估 算
秦孝尊 ， 洪 伟。 田成林 唐翠明 何颖玲。 张继彦 江少恩。 谷渝秋。 丁永坤。 。 ， ， ， ， ， ， ，
（．国 防 科 学 技 术 大 学 理 学 院 ，长 沙 ４ ０ ７ ；２ １ １０ ３ ．中 国工 程 物 理 研 究 院 激 光 聚 变 研 究 中心 ，四 川 绵 阳 ６ １ ０ ） ２ ９ ０
中 图 分 类 号 ： ０４ ４ １ ； Ｔ ６ ３．２ Ｌ５பைடு நூலகம்文 献 标 志码 ： Ａ
随 着 Ｃ Ａ技 术 的发展 ， 型 激光 器 可 以产生 几到几 十 ｆ Ｐ 新 ｓ的激光 脉 冲 ， 率密 度 高达 １。 功 ０ Ｗ ／ｍ。 可 以产 ｃ ，
生强 电 磁场 、 高温 高压 等极 端实 验条 件 ， 给实验 提供 了崭 新 的空 间 。超 短 超强 激光 脉 冲与 固体靶 相 互作 用 可 以
子加 速 的机制 ， 出 了估 算 截止 能 量 的理论 公 式 ；． ｕ ｈ ［ 等人 总结 了质 子 加速 方 面 的实验 结果 ， 给 出 了靶 给 ＪＦ ｃｓ ９ 并
背法 向鞘 层加 速 （ ＴＮＳ 机 制 的理 论解 析 模 型 ， 以估算 加 速 电场 强 度 及 质 子 截 止 能量 。本 文 利 用 已有 的加 Ａ） 可 速机制 计 算 了质子加 速 的最 大截 止 能 量 ， 与实 验结果 对 比分析 ， 为 实 验 中产 生质 子 的主要 机制 是 靶后 表 面加 认
对靶 后 表 面 加速 机 制 的 影 响 。计 算 表 明 ： ＩＥ － 激光 器 信 噪 比达 到 １ ： ＳＬ Ｘ Ｉ Ｏ １时 ， 脉 冲 对 用 ５ ｍ 靶 时 鞘 层 加 预 速 电场的影响可以忽略 。 关 键 词 ： 激 光 等 离 子 体 ； 质 子 加 速 ； 靶 背 法 向 鞘 层 加 速 ； 截 止 能 量 ； 有 质 动 力 势 ； 等 离 子 体 标 长
（ ＴＮＳ ） Ａ 。
１ １ 靶 前 表 面 加 速 ．
靶 前表 面加 速机 制实 质是 靶 内 等离 子体 区域 内的 电荷 分 离 对 质 子进 行 加 速 。在 激 光 与 物 质 的相 互 作 用 中 ， 光 的预脉 冲与靶 物 质相 互作 用 使靶 离化 ， 前表 面形 成等 离 子体 ； 激 在 然后 主脉冲 与等 离子 体 相互 作用 ， 在等 离 子体 临界 密度 附近 ， 有质 动力 的 推 动下 ， 靶 的前 表 面 产 生 超 热 电子 ， 热 电 子穿 越 靶 区 ， 质 子 进 行 加 在 在 超 对 速［ １ 。在 该机 制 中 ， 热 电子在 等离 子 体 内运 动时 ， 超 会产 生几 万 Ｔ 量级 的强 磁场 ， 前表 面加 速 得到 的质 子 在 靶
沿激 光传 播 的过程 中， 受 到 自生 磁场 的偏 转 ， 会 发射 出 的质子 具 有环 状 结构 ｎ 。
产生 几 到几 十 Ｍｅ 高 能 离子 束 ， 有 良好 的定 向性 （ Ｖ 具 出射 角小 于 ２ 。 ， 宽 很 窄 ， ０）脉 同时还 有 比较好 的方 向性 ， 具有 极 为广泛 的应 用前 景 。 国际上 的 研究 从理 论 、 实验 及模 拟 等 方 面 同时 进行 ， 内容包 括 质 子 发 射 的 机 制Ｌ ， １ ］ 角分 布 ， ］ 用所 得质 子束进 行 成像 、 等离 子体 诊 断及相 关 实 验 Ｌ ， 时 高 能 质 子束 在 “ ３同 ］ 快点 火 ， ］ 医学 方 面［ ，及 Ｌ ５ ］ 有重要 应 用 。最 近 ， Ｓ ｈ ｅｅ ［ 等 人用 双层 微 型靶得 到 了 Ｍｅ 的准 单能 质 子 ； ． ． ｈ ｎ Ｈ． ｃ ｗｏ ｒｒ６ Ｖ Ｚ Ｌ Ｃ ｅ ￣ 人 采 用 空心 等 金锥 靶得 到 了能 量为 十几 Ｍｅ 聚 焦性 更 好 的 质 子束 ； Ｓ ｎｏ ｕ８等人 分 析 了 激光 与 固体 靶 相 互 作 用 中质 Ｖ、 Ｙ． ｅ ｔｋ Ｌ
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第２ Ｏ卷第 ８ 期
２０ ０ ８年 ８月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡ ＲＴＩ Ｇ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖｏ ． Ｏ ＮＯ ８ １２ ， ．
Ａ ｕｇ．， ００ ２ ８
文章 编号 ： １ ０ —３ ２ ２ ０ ） ８ １ ７ — ５ ０ １４ ２ （ ０ ８ ０ — ３ ３ ０
摘 要 ： 根 据 超 短 超 强 激 光 与 固体 靶 相 互 作 用 中 质 子 靶 前 表 面 加 速 和 靶 后 表 面 加 速 两 种 机 制 ， 在 Ｓ— 对 Ｉ Ｌ Ｘ Ｉ 光 器 上 进 行 的 质 子 加 速 实 验 中获 得 的质 子 最 大 截 止 能 量 进 行 了 估 算 ， 为 实 验 中质 子 产 生 的 主 要 机 Ｅ —激 认
制 是 靶 后 表 面加 速 。 同 时 结 果 表 明 ： 该 装 置 的实 验 条 件 ， 前 表 面 加 速 机 制 可 以 产 生 质 子 的最 大 能 量 约 为 ２ 对 靶 Ｍｅ 靶 后 表 面 加 速 机 制 可 以产 生 的 质 子 的最 大 能量 约 １ Ｖ。另 外 用 Ｍｕｔ ０ ５程 序 计 算 了 激 光 器 信 噪 比 Ｖ； １Ｍｅ ｌ２ ０ ｉ