强激光与粒子束
2023, 35(10): 104005
国防科学技术大学理学院, 湖南 长沙 410073
超强超短脉冲激光广泛应用于粒子加速以及新型X射线辐射源产生。较长的激光脉冲上升前沿直接影响激光应用效果。等离子体薄膜靶作为新型光学介质开关，可以有效降低超强激光脉冲前沿上升时间，优化激光等离子体相互作用参数。采用一维理论分析和粒子模拟方法研究了等离子体薄膜靶实现超强激光脉冲整形的机制。研究结果表明，薄膜靶通过对激光脉冲的非线性调制，可有效实现脉宽缩短和脉冲陡化；对比单层靶调制结果，选择参数优化的双层靶，可进一步优化脉冲整形效果，获得更短脉宽和更高振幅的激光脉冲；对于峰值振幅高于薄膜靶击穿阈值的超强激光，脉冲上升前沿可得到明显陡化，薄膜靶的击穿是产生这种脉冲整形效果的直接原因。
激光光学 脉冲整形 薄膜靶 优化 粒子模拟
1 国防科学技术大学 理学院, 长沙 410073
2 中国卫星海上测控部 技术部, 江苏 江阴 214431
3 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳621900
4 国防科学技术大学 计算机学院, 长沙 410073
用2D3V粒子模拟程序研究了高能质子束驱动的尾波场加速电子的方案, 及其在此方案中应用背景等离子体密度的跃变致使等离子体电子自注入加速相区的可能性。粒子模拟结果显示: 密度跃变实现了电子的自注入, 并且捕获的电子束处于加速相位, 等离子体尾波场纵向电场对捕获的电子束起箍缩作用; 捕获的电子束随着传输, 表现为窄能谱分布; 同时随着密度跃变大小的增大, 可以增加等离子体电子的捕获。
质子束 粒子模拟 等离子体尾波加速 密度跃变 电子捕获 proton beam PIC simulation plasma wakefield acceleration density transition electron trapping
1 国防科学技术大学 理学院 物理系, 长沙 410073
2 空军工程大学 理学院 数理系, 西安 710051
3 国防科学技术大学 计算机学院, 长沙 410073
4 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
利用1维粒子模拟程序, 研究了超短超强激光脉冲与超薄双层靶(基底层和加速层厚度均为nm量级)相互作用产生准单能质子束的过程。研究表明, 基底层厚度及加速层厚度对质子能谱的影响至关重要。减小基底层厚度, 靶后静电场增强, 质子的最大能量显著增大；减小加速层厚度, 靶后静电场分布变得更加均匀, 质子能谱中心能量变化不大, 单能性变好。通过优化参数, 获得了能散度为7%的准单能质子束。
粒子模拟方法 超薄双层靶 质子能谱 准单能 particle-in-cell simulation ultrathin double-layer target proton spectrum quasi-monoenergetic
1 国防科学技术大学 理学院, 长沙 410073
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
3 国防科学技术大学 计算机学院, 长沙 410073
用粒子模拟程序研究了长脉冲质子束在等离子体中的传输特性, 模拟结果表明, 等离子体可以明显改善质子束的空间传输特性, 大尺度的等离子体相对于等离子体层可以实现较长距离的稳定传输。研究发现, 在实现长距离传输时, 等离子体波会对质子束密度有较大的调制作用, 严重影响质子束的传输性质, 同时通过优化束密度分布可以有效减弱等离子体波的激发, 实现束较稳定的传输。
质子束 粒子模拟 束-等离子体相互作用 等离子体波 中和 proton beam PIC simulation beam-plasma interaction plasma wave neutralization
1 国防科学技术大学 理学院, 长沙 410073
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
3 国防科学技术大学 计算机学院, 长沙 410073
基于Berenger完全匹配层的基本思想, 导出了高斯单位制下2维完全匹配层吸收介质的控制方程及参数设置方法, 并进行了数值验证和参数优化。依据所得结论编制了相应的吸收边界模块加入到2D3V等离子体粒子模拟程序PLASIM中, 取得了良好的吸收效果。基于完全匹配层吸收边界的实现, 在小窗口内对超强激光预脉冲与低密度等离子体的长时间相互作用过程进行了模拟研究, 结果表明:激光强度和作用时间是影响等离子体密度改变的重要因素, 超强激光其长时间的预脉冲可以通过有质动力的累积效应在低密度等离子体中引起较大的密度变化。
完全匹配层 吸收边界 高斯制 粒子模拟 反射率 perfectly matched layer absorbing boundary condition Gaussian unit PIC simulation reflectivity
1 中国科学院物理研究所北京凝聚态物理国家实验室, 北京, 100080
2 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学技术国家重点实验室, 西安, 710068
在超短超强激光与固体薄膜靶相互作用研究中, 实验上首次观测到了沿靶面方向发射的高能超热电子束。该电子束只有在等离子体电子密度标长较短的条件下才会出现。理论模拟表明, 靶表面电磁场的约束作用是产生此电子束的主要原因。这一结果有助于加深对激光惯性约束聚变快点火实验中的锥靶物理过程的理解, 并有潜在的应用前景。
超短超强激光等离子体相互作用 超热电子
1 国防科学技术大学,理学院,湖南,长沙,410073
2 国防科学技术大学,计算机学院,湖南,长沙,410073
用2.5维粒子模拟程序模拟了超强激光与等离子体的相互作用过程,发现超强激光可以通过J×B加热机制加速电子并引起电荷分离,从而产生很强的静电场并形成电场势阱,电子在静电场势阱中振荡,被多次加速,使得高速电子被甩出势阱,进而增强电荷分离,然后静电场结构被破坏,静电势能传给电子.在此过程中,电子在此阱中作局域振荡,并且被J×B机制多次加速,激光的能量会有效地传给电子,使电子能量高达10MeV.这是一种新的电子加热机制,称之为局域振荡电子加热机制。
激光等离子体相互作用 粒子模拟 电子加速 局域振荡 Laser plasma interaction Particle simulation Electron acceleration Local oscillating
国防科学技术大学,理学院,应用物理系,湖南,长沙,410073
用2D3v PIC粒子模拟方法得到了超短脉冲超强激光与固体靶相互作用中高能离子产生的图像,并对其机理进行了研究.在靶前后表面都观察到了高能离子的产生,并诊断了离子能谱.模拟结果表明,在靶前表面所产生的高能离子,角分布较大,在向靶内输运过程中会损失能量;在靶后表面产生的高能离子,定向性很好,能获得很高的能量.模拟得到的离子能量和实验观测结果在量级上相符.
粒子模拟 超短脉冲超强激光 高能离子 Particle-in-cell simulation Ultrashort ultraintense laser pulse Energetic ion
