激光等离子体加速机制研究综述讲解

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）。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RPA机制中来获得准单能离子束，因为有质动力没有振荡项，使得热电子的J×B效应大大降低，线性偏振（LP）激光或则斜入射的圆偏振激光同样也有这种效果。一维的PIC模拟显示CP激光和薄靶相互作用能产生高度单能的离子束。但是，多维的粒子模拟表明一个厚靶在激光作用下迅速变形成一个抛物线型的袋口使得大部分激光变成斜入射到靶袋内壁，产生了大量的电子加热。由于靶袋的缘故，等离子密度大大减小，导致等离子体不均匀或破裂的横向瑞利-泰勒或韦伯不稳定性也会发生，从而限制了RPA产生的离子束的品质。迄今为止，很多种方案已经被提出来改善加速离子的光谱，包括使用平顶的或超高强度的激光，特制的薄靶结构等。

基于激光等离子体相互作用过程的电磁波辐射源，如X射线源、阿秒脉冲、高次谐波[8]和太赫兹辐射[9]等。阿秒脉冲(10-18s是原子核尺度上的电子动力学时间单位，阿秒脉冲的激光脉冲持续时间很短，需要短波辐射，可以由超短激光脉冲与气体或则等离子体的非线性光学作用产生，机制主要是高次谐波的产生。原理可以分为三步，在强电磁场作用下气体首先经历场电离的过程，随后电磁场翻转最后电子与离子重新结合发出单个高频率的光子。这个机制先是由Shore和Knight 在1987年提出，后来被McPherson等人实验证实。

太赫兹辐射（1012Hz），波长300微米，具备短脉冲、宽频谱、低能量、高透射性、吸水性、瞬态性、相干性等，在成像、探测方面有广阔应用前景。1993年，H.Hamster等人最先强激光与气体和固体密度的等离子体相互作用在实验上观测到了相干的THz辐射。机制可以用有质动力驱动电子振荡、电子的transition-Cherenkov发射、电离电流等模型来解释，对更强的激光脉冲，Sheng等人提出了非均匀稀薄等离子体中激光激发的静电波通过线性模式转化产生THz辐射的机制。

2 存在的问题与展望

对于目前的强激光等离子体相互作用实验来说，一方面实验成本很高，另一方面在现有的实验仪器与测量手段的限制下，很多相关的物理问题并不可能进行实验研究，或者实验研究很困难。同时对于一些新颖的想法也很难有实验条件去验证。由于非线性效应的出现并在强激光下占主导地位，传统的线性理论受到极大限制，虽然我们知道激光与等离子体相互作用的基本物理规律，但一个涉及到波与波、波与粒子、粒子与粒子的多模多粒子的强非线性体系、想对其进行进行非线性的理论解析不切实际。

不过，通过高速发展的计算机进行数值模拟，我们又找到了研究强激光加速等离子体的机制的方法。计算机模拟就是根据已有的物理定律，对研究的问题建立模型构建方程组，通过数值求解的方法对物体的各种物理行为进行研究。虚拟实验不久可以反映实验问题还能测量到很多实验中很难测量的物理量，对实验反而有指导意义。等离子体数值模拟分为流体模拟和动力学模拟混合等离子体粒子模拟与磁流体模拟方法可以构成一种混合模拟程序。