PDF《利用激光离焦的方法优化超强激光驱动的质子加速鄢》

物理学报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 源 渊圆园员员冤摇 园源缘圆园源 M圆园员员 中国物理学会 悦澡蚤灶藻泽藻 孕澡赠泽蚤糟葬造 杂燥糟蚤藻贼赠 摇 澡贼贼责院辕 辕 憎怎造蚤曾遭援 蚤责澡赠援 葬糟援 糟灶 园源缘圆园源鄄员 摇摇摇摇利用激光离焦的方法优化超强激光驱动的质子加速鄢 徐妙华员冤圆冤 摇 李玉同员冤L 摇 刘摇 峰员冤 摇 张摇 翼员冤 摇 林晓宣员冤 摇 王首钧员冤 摇 孟立民圆冤 王兆华员冤 摇 郑摇 君猿冤 摇 盛政明员冤猿冤 摇 魏志义员冤 摇 李英骏圆冤 摇 张摇 杰员冤猿冤K 员冤渊中国科学院物理研究所袁北京凝聚态物理国家实验室袁北京摇 员园园员怨园冤 圆冤渊中国矿业大学渊北京冤理学院袁北京摇 员园园园愿猿冤 猿冤渊上海交通大学物理系袁上海摇 圆园园圆源园冤 渊圆园员园 年源月圆员 日收到曰圆园员园 年远月猿园 日收到修改稿冤 摇摇在中国科学院物理研究所野极光域 号冶飞秒激光装置上袁对激光与薄膜靶相互作用产生的靶后质子束特性进 行了实验研究援 结果发现袁在主脉冲前存在较强的飞秒预脉冲的情况下袁通过适当地对激光束散焦袁可以使质子束 的转换效率提高 猿 个数量级袁并同时改善质子束的准直性援 分析表明袁激光散焦的方法可以有效地抑制预脉冲的流 体力学效应对质子加速的负面影响袁从而提高质子的转换效率援 此外袁粒子模拟还发现袁散焦量增大时可以产生更 多的中低能超热电子袁这也有利于建立高质量的质子加速电场援 关键词院 超短脉冲激光与等离子体相互作用袁质子加速袁转换效率 孕粤悦杂院 缘圆援 猿愿援 运凿袁 缘圆援 缘园援 允皂 鄢国家自然科学基金渊批准号院员园苑圆园员园员园苑缘袁员园怨圆缘源圆员袁员园怨苑源圆缘园袁员园怨猿缘园园圆冤袁国家自然科学基金青年科学基金渊批准号院员园怨园缘园怨圆冤袁国家 重点基础研究发展计划渊批准号院圆园园苑悦月愿员缘员园圆冤袁国家高技术惯性约束聚变委员会尧中央高校基本科研业务费专项资金资助的课题援 L 通讯联系人援 耘鄄皂葬蚤造院 赠贼造蚤岳 葬责澡赠援 蚤责澡赠援 葬糟援 糟灶 K 耘鄄皂葬蚤造院 躁扎澡葬灶早岳 葬责澡赠援 蚤责澡赠援 葬糟援 糟灶 员郾 引言近年来袁利用超强激光驱动的高能质子束由于 在各方面具有潜在应用咱员要缘暂 袁已成为强场物理的一 大研究热点咱远要愿暂 援 在超强激光与薄膜靶相互作用中 产生准直性好尧转换效率高的高能质子束是人们一 直追求的目标援 研究表明袁主脉冲前的飞秒渊枣泽冤预脉 冲和纳秒级自发辐射放大渊粤杂耘冤对质子加速有着重 要影响咱怨要员员暂 援 比如袁预脉冲形成的冲击波效应将破 坏薄膜靶后表面的加速电场袁从而降低质子加速的 效率和束质量援 为了提高超强激光驱动的质子束质量袁人们在 实验中投入了大量精力来改善激光的对比度袁如在 激光系统中加超快泡克耳斯盒咱员圆暂 尧在靶场系统引入 等离子体镜咱员猿袁员源暂 袁以及倍频咱员缘暂 等方法援 然而袁超快 泡克耳斯盒的成本较为昂贵曰等离子体镜会造成 猿园豫 要缘园豫 的激光能量损失袁且在一定程度上增大 实验过程的困难性和复杂性曰使用倍频的方式不但 会损失 约 缘园豫 的激 光能量袁 而且改变了激光的波长援 在本文中袁我们采用了一种简单有效尧且不损 失激光能量的方法袁可以有效抑制飞秒预脉冲对质 子加速的影响援 实验上发现袁在有较强的飞秒预脉 冲存在的情况下袁通过对激光光束进行适当的散 焦袁可以使质子束的转换效率增强 猿 个数量级袁并且 显著改善质子束的准直性援 圆郾 实验布局 摇摇实验是在中科院物理所 圆园 栽宰 飞秒激光系统 野极光域号冶渊载蕴鄄域冤 上进行的援 该激光系统采用啁 啾脉冲放大渊悦孕粤冤 技术袁输出波长为 愿园园 灶皂袁脉宽 为 猿园 枣泽袁最大输出能量为 远源园 皂允 袁重复频率为 员园 匀扎援 水平偏振的主激光经过 枣辕 猿郾 缘 的离轴抛物镜 渊韵粤孕冤后以 圆缘毅 的入射角聚焦在薄膜铝靶上援 靶前 利用光学成像系统对每发激光的聚焦情况进行监 视援 在水平面上方 源缘毅袁与靶面法线方向夹角为 圆园毅 的位置通过 载 射线针孔相机测量 载 射线焦斑的尺 寸与强度援 在激光的反射方向袁采用能量卡计测量 物理学报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 源 渊圆园员员冤摇 园源缘圆园源 园源缘圆园源鄄圆 摇摇摇摇激光的反射率袁用于对靶前预等离子体的状态进行 监测援 采用安装在靶后法线方向尧离靶 缘 糟皂 的 悦砸猿怨 核径迹探测器测量质子束的角分布袁该探测器的尺 寸为 缘 糟皂 伊缘糟皂 援 采用 栽澡燥皂泽燥灶 离子谱仪对质子束 的能 谱进行测量袁 谱仪的收集立体角为员郾 员伊员园 原缘泽则援 实验中利用超快响应光电二极管和示波器渊带 宽愿郧匀扎冤对激光脉冲的波形和对比度进行监测援 结 果发现在主脉冲前约 苑郾 猿 灶泽 有一个 枣泽 预脉冲袁其强 度约为主脉冲的 园郾 远豫 袁 如图 员 所示援 激光的放大自 发辐射 渊 粤杂耘冤 形成的灶泽 前沿的对比度高于圆伊员园 原远援图员摇 超快二极管和示波器测量的激光脉冲波形 猿郾 实验结果 猿郾 员郾 激光紧聚焦情况下的靶后质子束 摇摇图圆给出了激光紧聚焦到 缘袁员圆袁猿园袁缘园 滋皂 厚 的铝膜上渊对应聚焦光强为 员郾 远伊员园员愿 宰辕 糟皂圆 冤时靶 后质子束的能谱援 结果发现袁当薄膜靶厚度为 缘 滋皂 时袁靶后基本上观察不到质子束的信号援 随着厚度 的增大袁质子束的截止能量增大到 猿园园 噪藻灾 左右援 实验上对激光紧聚焦渊最小焦斑冤 情况下不同 靶厚度的质子束角分布也进行了测量援 当薄膜靶厚 度为 缘和员圆 滋皂 时袁悦砸猿怨 上的质子径迹坑数目很 少援 当靶厚度增大到 猿园 和 缘园 滋皂 时袁悦砸猿怨 上观察 到的峰值强度分别增大到 员伊员园源 个辕 糟皂圆 和 缘郾 怨伊员园源 个辕 糟皂圆 援 从结果中可以发现袁当激光紧聚焦时袁质子束 的转换效率随着薄膜靶厚度的增大而增加袁而截止 能量也远小于类似激光光强下其他小组的结果援 导图圆摇 激光紧聚焦到 缘袁 员圆袁 猿园袁 缘园 滋皂 铝靶时靶后质子束的 能谱 致这些现象的主要原因是前面提到的 枣泽 预脉冲对 质子加速的影响援 当主脉冲的聚焦光强为 员援 远伊员园员愿 宰辕 糟皂圆 时袁枣泽 预脉冲的聚焦强度达到 员郾 员伊员园员远 宰辕 糟皂圆 援 这一预脉冲作用于薄膜靶的前表面袁产生了预 等离子体袁并激发了强冲击波援 冲击波传播到薄膜 靶的后表面袁会使后表面等离子体发生膨胀袁导致 鞘层电场强度降低袁加速效率大大降低咱怨暂 袁这就是 在紧聚焦的情况下质子束强度极低的原因援 猿郾 圆郾 激光离焦情况下的靶后质子束 摇摇为了抑制 枣泽 预脉冲对质子加速的负面影响袁我 们采用改变 韵粤孕 与靶之间的距离渊离焦冤 的方法袁 对激光束进行一定程度的散焦袁来减小预脉冲的聚 焦光强援 实验中入射激光的能量保持不变渊发与发 之间的能量抖动 约 员缘豫 冤袁离焦量分别选取为 圆园园袁 缘园园袁 愿园园 和 员圆园园 滋皂援 由于离焦袁主脉冲的聚焦光强 也相应地降低为 源伊员园员远 宰辕 糟皂圆 袁苑郾 苑伊员园员缘 宰辕 糟皂圆 袁 猿郾 圆伊员园员缘 宰辕 糟皂圆 和 员郾 源伊员园员缘 宰辕 糟皂圆 援图猿给出了不同离焦量条件下尧激光与 员圆 滋皂 厚的铝膜相互作用产生的靶后质子束的空间分布援 随着离焦量从 园 滋皂渊 最小焦点位置冤 增大到 愿园园 滋皂袁质子束的峰值强度和平均强度逐渐增大袁但当 离焦量增加到 员圆园园 滋皂 时袁质子束强度又急剧下 降援 离焦量为 园 滋皂 时袁悦砸猿怨 上质子束的峰值强度 约为 员园圆 个辕 糟皂圆 曰离焦量为 缘园园 滋皂 时峰值强度增大 为 缘郾 怨伊员园缘 个辕 糟皂圆 曰离焦量为 愿园园 滋皂 时增大到 员郾 员伊员园远 个辕 糟皂圆 曰而当离焦量为 员圆园园 滋皂 时袁强度急剧 下降为 员郾 圆伊员园缘 个辕 糟皂圆 援 对于其他厚度的铝膜袁质 子束的强度随离焦量的变化呈现出类似的趋势援 实验中还对不同离焦量下质子束的能谱进行 物理学报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 源 渊圆园员员冤摇 园源缘圆园源 园源缘圆园源鄄猿 摇摇摇摇图猿摇 不同离焦量下激光与 员圆 滋皂 铝膜相互作用产生的靶后质 子束的空间分布 了细致研究援 图源给出了不同的聚焦强度下激光与 员圆 滋皂 铝膜相互作用产生的质子束的能谱援 从图中 可以看出袁质子束能谱随离焦量的变化与前面的角 分布的趋势基本一致袁质子束的最大截止能量和最 大强度出现在激光强度约为 源郾 缘伊员园员缘 宰辕 糟皂圆 的情 况下援 图 源摇 不同的离焦量下激光与 员圆 滋皂 铝膜作用产生的靶后质子 束的能谱 利用质子束的角分布和能谱袁可以得到不同离 焦量下质子束的能量转换效率援 结果表明袁通过适 度的离焦袁质子束的转换效率有显著的提高援 图缘给出了经过离焦优化后得到的质子束转换效率与薄 膜靶厚度之间的关系援 从图中可以发现袁优化后的 转换效率随靶厚度的减小迅速上升援 对于越薄的 靶袁优化后效率提升的幅度越大援 举例来说袁对于 缘园 滋皂 的铝膜袁转换效率仅增强了 员郾 猿 倍曰对于 猿园 滋皂 的铝膜袁转换效率提高了 员 个数量级曰而对于 缘 滋皂 的铝靶袁转换效率相对于紧聚焦的情况提高了 猿个数量级援 此外袁从图 猿 中可以明显看出随着离焦量的增 大袁质子束的空间均匀性也得到了很大改善袁且发 散角显著减小援 以 员圆 滋皂 铝膜为例袁当离焦量为 圆园园 滋皂 时袁质子束的强度分布呈现明显的絮状不均匀 结构曰当离焦量为 缘园园 滋皂 时袁质子束的均匀性得到 了明显改善袁发散角约为 源园毅曰当离焦量为 愿园园 滋皂 时袁发散角减小为 猿园毅曰当靶离焦到 员圆园园 滋皂 时袁质 图 缘摇 离焦以及紧聚焦条件下袁质子束转换效率随薄膜靶厚度的 变化袁其中圆点为离焦优化后的转换效率袁五角星是紧聚焦时质 子束的转换效率援 圆点旁边标注的是相应的最佳激光聚焦光强 子束非常集中袁发散角仅为 员源毅 左右援 对于其他厚度 的铝膜袁质子束的准直性也有显著的改善援 源郾 分析与模拟 源郾 员郾 离焦时质子束转换效率的分析 摇摇激光离焦时质子束的转换效率得到显著提高 的原因主要有两方面援 首先袁离焦可以抑制 枣泽 预脉 冲对质子加速的负面影响援 随着激光离焦量的增 大袁枣泽 预脉冲的强度随之逐渐降低援 当离焦量达到 愿园园 滋皂 时袁尽管此时预脉冲强度渊员郾 圆伊员园员猿 宰辕 糟皂圆 冤仍大于铝的电离阈值袁然而预等离子体的温度 却显著下降袁冲击波的初始压强从原先的百 酝遭葬则 量级降低到 酝遭葬则 量级咱员远袁员苑暂 渊员 遭葬则 越 员园缘 孕葬冤袁冲击波 对靶后等离子体状态的影响迅速减小援 因此袁超热 电子在靶后表面能有效地建立鞘层电场袁进而加速 质子援 然而袁单纯的对预脉冲效应的抑制不足以解释 在光强降为 猿郾 园伊员园员缘 宰辕 糟皂圆 的条件下质子束仍能 得到有效加速的现象援 随着离焦量的增大袁中低能 超热电子数目的增大是导致转换效率迅速增大的 另一个可能原因援 利用 圆 维粒子 渊 责葬则贼蚤糟造藻鄄蚤灶鄄糟藻造造袁 孕陨悦冤 模拟得到的结果证实了这一想法渊孕陨悦 模拟的 结果将在后面给出冤援 这群数量很大的电子传输到 薄膜的后表面后袁将建立一个横向尺度很大的电 场袁使附着在靶后很大面积上的碳氢化合物得到电 离并加速援 加速的质子数目 晕责 可近似的用下式描 述院晕责 越 仔凿圆 蕴窑姿阅窑灶责袁其中 凿蕴 是超热电子建立的鞘 物理学报摇 粤糟贼葬 孕澡赠泽援 杂蚤灶援 摇 灾燥造援 远园袁 晕燥援 源 渊圆园员员冤摇 园源缘圆园源 园源缘圆园源鄄源 摇摇摇摇层场的半径袁近似等于激光聚焦光斑的半径袁姿阅 是 鞘层场的厚度袁灶责 是鞘层场电离碳氢污染物层产生 的质子的数密度援 因此袁当激光聚焦面积增大时袁质 子的总数目和质子束的转换效率将迅速上升援 我们利用 圆维孕陨悦 程序对激光与固体薄膜靶 相互作用产生质子束的过程进行了模拟援 模拟中袁 激光脉冲采用 泽蚤灶圆 分布袁半高宽为 猿远 枣泽袁脉冲持续 时间为 圆源 个激光周期袁归一化的激光电场强度 葬园 越 藻耘 辕皂棕园 糟越圆郾 园援孕偏振的激光脉冲以 圆缘毅的 入射角入射到靶上袁最佳聚焦处光腰半径 砸憎葬蚤泽贼 越 圆姿袁薄膜靶等离子体的厚度为 员郾 缘姿袁密度为 源灶糟 袁 等离子体由电子和质子构成援 靶的前表面存在一 个长度为 员姿袁密度标长为 园郾 缘姿 的预等离子体袁如 图 远渊葬冤 所示援 激光的离 焦量分 别选取为 园姿袁苑姿 和 圆苑姿援 图 远渊遭冤给出了 贼越猿园栽园 时刻靶后超热电子的能 谱援 从图中可以看出袁当离焦量为 苑姿 时袁能量介于 园郾 员到员郾 缘 酝藻灾 之间的超热电子数目和超热电子温 度渊斜率冤甚至大于紧聚焦的情况援 当离焦量为 圆苑姿 时袁虽然电子的温度低于紧聚焦时的情况袁但是总 数目和中低能电子渊能量小于 缘园园 噪藻灾冤的数目却明 显大于紧聚焦时的数目援.

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