激光尾波场电子加速及新型辐射源（特邀）

受益于超短超强激光技术的持续迅猛发展,飞秒强激光为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件,使激光物质相互作用进入到一个极端非线性的强场超快新范畴,催生了大量新原理、新现象,推动了技术变革。飞秒强激光驱动的等离子体尾波场加速原理是一种具有超高加速梯度的粒子加速新原理,该技术的加速梯度可达100 GV/m,相比于传统射频加速器提高了3个数量级以上,可在厘米量级的加速长度内获得GeV量级的高品质高能电子束,极大地降低了加速器的成本,为发展新一代粒子加速技术和新型超快辐射源提供了新机遇和新途径。从飞秒强激光驱动等离子体尾波场中的电子注入、能量啁啾控制和高品质电子束产生以及基于高品质电子束的betatron X射线辐射、高能伽马射线和小型化自由电子激光这几个方面介绍了激光等离子体尾波场电子加速的若干主要研究进展,并对未来进行了展望。     

激光诱导液相基质等离子体的空间演化特性

为了揭示液相基质激光诱导击穿光谱(LIBS)与固相基质LIBS特性差异的产生机理,采用液体射流取样技术,利用脉冲激光烧蚀CrCl_3水溶液产生激光等离子体,研究了等离子体中Cr元素发射光谱、等离子体电子温度和电子密度的空间演化特性。结果表明:相对于固相基质等离子体,液相基质激光等离子体存在明显不同的空间演化特性,在激光束传播方向上,等离子体可以沿着激光束传播方向膨胀至距离射流表面0.8 mm处;等离子体羽发光区域的线径较小,约为3.2 mm;离子谱线与原子谱线的峰值强度出现在不同位置,分别距离射流表面0.8 mm和0.4 mm;等离子体的电子温度低,电子密度值小,在激光束传播方向上两者的变化范围分别为2939～3611 K和0.0149×10~(14)～4.86×10~(14) cm~(-3),且在离射流表面0.8 mm处达到最大值;与固相基质等离子体类似,液相基质等离子体的发射光谱、电子温度和电子密度的空间演化特性具有较好的空间对称性。     

X射线激光在柱状等离子体中的传播与放大

对电子密度和增益为线性分布的等离子体,在几何光学的近似下,通过简化模型研究了X射线激光在柱状等离子体中的传播与增益过程,并给出了X射线激光输出光强随偏转角的变化关系及偏离轴向的折射角。     

在静磁场辅助下用强激光加速质子

1　引言传统的射频直线加速器由于其结构壁上的加热或破损 ,加速度梯度限于约 50 Me V/m。要将带电粒子加速至高能量 ,须将加速器做得很大 ,或开发可提供甚高加速度梯度的新加速方法。基于等离子体的高能粒子加速器具有超高激光驱动等离子体波加速度梯度 ,引起人们极大兴趣。这类装置不受介电破损限制 ,其电场梯度 (每米几十吉伏 )比传统射频直线加速器高几个数量级。早在 1 979年 ,Tajima和 Dawson即提出一些基于等离子体的激光驱动加速器 ,包括等离子体脉冲波加速器 ( PBWA)和激光尾迹场加速器( LWFA)。啁啾脉冲放大 ( CPA)技术的高…     

电测量与仪表

0102712用于高温等离子体电子密度测量的摩尔偏折仪[刊]/王琛//强激光与粒子束.—2000.12(4).—467～470(D)摩尔偏折测量术通过测量探针光束经过不均匀介质后光线的偏折来估算介质的折射率。基于这一理论,研制了实用的摩尔偏折仪,利用软 X 射线激光作为探针来探测高温高密等离子体的电子密度、结合软X 射线激光实验做了初步的演示。参5     

调Q激光引诱固体表面击穿高速摄影研究

用光路延迟装置在同一台YAG激光器上研究了激光引诱固体表面击穿的瞬态物理过程,首次获得了该过程最初阶段(200ns以内)的冲击波和等离子体的时间序列分辨的阴影图和Mach-Zehnder干涉图。并计算了等离子体的折射率分布和冲击波前的电子密度。     

强激光驱动的运动电场加速质子的研究

为了研究激光辐射压驱动的运动电场中加速质子的相关问题,对强激光与等离子体相互作用过程进行了理论分析,并采用2维粒子模拟方法,对理论分析结果进行了数值模拟验证。结果表明,当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时,在固体靶后部形成一个由电子层-离子层组成的双层结构,在激光辐射压的不断推进下,双层结构在背景等离子体里以一定速度传播形成一个运动电场;在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量,质子的最大能量达到20GeV。理论分析结果与2维粒子模拟结果符合得很好。     

激光-等离子体相互作用过程中光子加速的研究

为了研究激光-等离子体相互作用过程中的光子加速(光子频率上移),采用数值模拟方法进行了理论计算和数值计算验证,取得了光子加速的重要计算机模拟结果。结果表明,等离子体激光相互作用过程中的光子频率上移与所用的激光脉冲形式和脉冲宽度有关,存在最佳脉冲宽度和脉冲上升宽度,还存在等离子体电子密度上限。这一结果对进一步研究激光等离子体粒子加速有帮助。     

激光诱导Co等离子体电子密度的时间空间演化特性

测定了激光烧蚀Co等离子体中Co原子389.408 nm发射谱线的时间空间分辨发射光谱.由发射光谱线的强度和斯塔克(Stark)展宽计算了等离子体电子密度,并由实验结果讨论了激光等离子体中电子密度的时间空间演化特性.实验结果表明,当延时在100～1000 ns变化时,等离子体中的电子密度变化范围为0.02×1017～0.73×1017 cm-3,在沿激光束方向上,当距离靶表面0～1.8 mm范围内变化时,相应的电子密度ne范围为0.3×1017～0.8×1017cm-3,等离子体电子密度在激光束方向上具有很好的对称性.     

真空,气体及等离子体中的激光驱动电子加速

讨论了有关在真空、中性气体和等离子体中激光加速的若干重要问题。对与电子滑移、激光衍射、材料的破坏和电子的孔径效应有关的激光真空加速所肥到的各种限制进行了讨论。提出了反切仑科夫激光加速组态，在该组态中激光束在部分电离气体中是自导的。光学自导是中性气体的非线性自聚集特性和电离衍射效应之间平衡的结果。分析并讨论了自导光束的稳定性。此外，还论及激光尾迹场加速器的有关问题，并大略地讨论了激光驱动的加速器实验     

台式加速器取得进展

在英、美和法研究组分别独立取得突破后，基于等离子体的粒子加速器可较常规加速器所产生的高几千倍的加速梯度的前景，已由激光产生的等离子体演示。然而，只有在约1cm的距离上才有可能加速粒子，产生的光束质量较差，能散较大。三个物理研究组已发展出多种技术，包括等离子体中通道和气泡的形成，以产生仅百分之几的束能散。     

毛细管放电软X射线激光传播的解析研究

对于电子密度和增益为抛物线分布的等离子体,在几何光学的近似下,通过简化模型研究了毛细管放电X射线在柱状长等离子体柱中的传播与增益过程,并给出了抛物线近似下X射线激光的输出光强随偏转角的变化关系及偏离轴向的折射角和折射长度。     

X射线激光在柱状等离子体中传播的理论研究

对于电子密度和增益为线性分布的等离子体 ,在几何光学近似下 ,通过简化模型研究了毛细管放电X射线在柱状长等离子体柱中的传播与增益过程 ,并给出了X射线激光的输出光强随偏转角的变化关系及偏离轴向的折射角。同时给出了X射线的饱和长度     

非对称激光等离子体尾场中被加速电子的模拟

为了研究在激光驱动的等离子体尾场中被加速电子的动力学,采用数值模拟方法得到了非对称脉冲驱动的尾波场中被加速的电子的运动相图、密度分布及势能。结果表明,非对称激光脉冲驱动尾场中电子得到很高的能量。在非对称激光脉冲驱动的激光尾场中,为了有效地加速电子,要选择恰当的上升激光脉冲长度和下降激光脉冲长度。     

激光诱导Ni等离子体电子温度与电子密度的时空演化特性研究

在实验上通过测定原子谱线的相对强度和Stark加宽、线移,计算了激光诱导Ni等离子体的电子温度和电子密度,通过改变光谱信号与激光脉冲之间的延迟时间及移动成像透镜的位置,研究电子密度和温度这两个重要参数与延时、空间位置之间的关系。实验结果表明：电子温度及电子密度与延时、空间位置密切相关,在时间分辨中,等离子体的电子温度和电子密度与延迟时间都成指数衰减;在空间分辨中,电子温度和电子密度与距靶面空间距离都呈Lorentz线型。     

大功率半导体激光加工光致等离子体折射效应

为了研究大功率半导体激光加工过程中,光致等离子体对激光光束显著的屏蔽作用,以波长为976nm、光斑尺寸为0.5mm1mm、最大功率为4kW的半导体激光加工系统为实验基础,采用了与实际相符的光致等离子体电子密度数学模型和几何光学ABCD矩阵算法,从吸收和折射两方面对光致等离子体的屏蔽作用进行了理论分析和实验研究,得到了在光致等离子体电子密度ne1.01018/cm3的条件下,光致等离子体的折射效应才是引起半导体激光光束屏蔽的主要原因这一结果。结果表明,光致等离子体改变了聚焦光束的形态,使其焦点下移、光斑变大、能量密度变小,其效果类似于一个非线性梯度折射率的负透镜。     

陶瓷激光增材制造等离子体特征与成形缺陷的相关性研究

光谱强度与电子密度是陶瓷激光增材制造等离子体的两个重要特征。孔隙裂纹缺陷直接影响着陶瓷件的性能。搭建了等离子体监测平台,采用阈值分割法对孔隙缺陷进行提取。通过分析等离子体羽辉和谱线特征来研究工艺参数对等离子体谱线强度和电子密度的影响,得出了等离子体特征与成形缺陷具有相关性这一结论。试验结果表明:与金属材料相比,氧化铝陶瓷蒸气电离形成的等离子体羽辉喷发得更高,面积更大;等离子体谱线强度随激光功率和扫描速度的增大而升高,随送粉速率的增大而降低;电子密度随激光功率、扫描速度和送粉速率的增大而升高;在成形过程中,等离子体谱线强度、电子密度与孔隙、裂纹这两类成形缺陷均具有强相关性。     

激光诱导Al等离子体中电子密度的实验研究

用Nd:YAG脉冲激光器产生的1.06μm激光,在低压环境下烧蚀金属Al靶获得等离子体,并观测其空间分辨发射光谱;利用AlⅠ的两条发射谱线的Stark展宽计算了Al等离子体电子密度,研究了电子密度随空间的演化规律。结果发现:在靶面附近电子密度达到最大值,随着离靶面距离的增加,电子密度逐渐减小,从微观物理机制的分析推断:激光诱导等离子体的复合辐射是电子密度减少的主要原因。另外,还探讨了激光能量的变化对等离子体电子密度的影响。     

激光诱导镍等离子体发射光谱Stark展宽和电子密度的空间分辨特性

在大气环境下利用脉冲Nd:YAG激光532nm输出烧蚀Ni靶,产生了激光等离子体。在350-600nm波长范围内测定了激光诱导等离子体中Ni原子的空间分辨发射光谱。得到了385.83nm发射光谱线的Stark展宽及其随径向的变化特性。由发射光谱线的强度和Stark展宽计算了等离子体电子密度,并讨论了激光等离子体的空间演化特性。结果表明,在沿激光束方向上,当距离靶表面0-2.5mm范围内变化时,谱线的Stark展宽、线移和电子密度都随距靶面距离的增大而先增大,在离靶面约1.25mm处时达到最大值,之后随距离的进一步增大而减小;电子密度在0.1-3.0 1016cm-3范围内变化。     

光在纤维介质中传播的研究

利用光线追踪方法在近轴近似下模拟了高斯光束在不同折射率分布纤维状介质中的传播。针对等离子体对激光的导引和离焦现象 ,以及应用激光操纵粒子的空心环状光束产生进行了模型化分析和讨论。