超强拉盖尔-高斯激光驱动粒子加速

雷克儿

1992年，Allen等人研究发现激光经过特殊调制之后可以获得轨道角动量，由此提出了一种全新模式的激光——拉盖尔-高斯（LG）激光。这种激光具有中空的光强分布，同时携带角动量，被广泛应用于光学通信、光镊、特殊显微成像等方面研究。另一方面，随着激光技术的发展，尤其是啁啾脉冲放大技术的发明，目前已经可以在实验室获得10拍瓦（PW）量级的超强激光脉冲输出，激光聚焦功率密度有望达到1023W/cm2。如此高功率的激光与物质相互作用时，会将物质电离成等离子体态，可以用于驱动电子和离子加速、产生太赫兹至伽马波段光子辐射、实验中模拟天体物理过程等方面研究。将弱光领域的LG激光拓展到强激光领域，有望在粒子加速与操控、新型辐射源产生、超高分辨成像等方面有重要应用，相关研究近年来倍受人们关注。***基于以上背景，本文主要做了以下工作：1.在PIC模拟中，使用圆偏振超强LG激光与平面靶相互作用，在靶的前表面激发产生了准直电子喷流。研究发现：紧聚焦超强LG激光具有环形的有质动力分布。一方面，可以推动靶面产生形变，致使靶中心处电子密度升高，从而引发电子喷流产生；另一方面，反射激光的环形有质动力可以引导喷流传输，增强其准直度。此外，研究还发现右旋圆偏振模式的LG激光具有周期性汇聚和发散的横向电场矢量，可以将电子喷流调制成纵向空间间隔为激光波长的周期性电子团簇。产生的电子喷流在自由电子激光电子源，惯性约束快点火等方面有重要潜在应用。2. 利用三维PIC模拟和理论分析研究了右旋圆偏振近红外LG激光驱动超薄靶相互作用的过程，提出了一种产生单个高能阿秒环形电子片的新方法。由于右旋圆偏振LG激光传播轴线上具有纵向电场，电子束可以被该电场捕获并获得稳相加速。通过改变入射激光的初始载波包络相位，可以实现对电子片失相过程控制，最终可以将电子片调制成环状结构。这一全新的阿秒电子环产生方法的提出，不仅可以进一步认知超强LG激光的电场结构，而且也为高能粒子束加速和操纵提供了新思路。3.使用大尺寸反射式台阶螺旋相位板，在拍瓦激光装置上首次获得了超强LG激光脉冲，聚焦后峰值功率密度达到6.3 × 1019 W/cm2，目前是国际最高值。衍射模型验证了该台阶螺旋相位板可以将厄米-高斯光束调制成典型的一阶拉盖尔-高斯模式。使用该激光脉冲开展了薄膜靶质子加速实验。通过实验结果分析对比和PIC模拟研究发现：超强环形激光脉冲在静电激波加速机制下，可以驱动产生环形质子束。该环型质子束在强磁场产生、环型高次谐波、电子准直等方面有潜在应用