啁啾雷射脈衝—電漿加速及其套用研究

《啁啾雷射脈衝—電漿加速及其套用研究》是依託河北師範大學，由栗建興擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：啁啾雷射脈衝—電漿加速及其套用研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：栗建興
• 依託單位：河北師範大學

項目摘要

近年來，隨著超短超強雷射技術的快速發展,新型雷射粒子加速器已經成為強場物理的研究熱點之一.雷射粒子加速器產生的高能離子束在醫療和工業等領域（例如：離子治療和離子刻蝕）有重要套用。目前,實驗上已經實現了採用PW雷射器加速獲得幾十甚至幾百MeV的離子束，離子束能散度可以降低到15%左右。在本課題中，我們將採用Particle-In-Cell（PIC）仿真代碼模擬研究超短超強啁啾雷射脈衝-電漿加速機制。在現有實驗條件下，此機制有望在較大程度上提高離子束平均能量並降低離子束能散度。另外，通過研究啁啾雷射脈衝和電漿靶材的初始參數對離子束質量的影響規律，我們將得到啁啾雷射脈衝-電漿加速的最佳初始條件，並且，模擬產生能夠用於離子治療和離子刻蝕等領域的高質量離子束。此外，我們將採用PIC仿真代碼模擬離子治療和離子刻蝕的基本物理過程.

結題摘要

我們深入研究了超短超強啁啾雷射脈衝傳輸理論，並且，編寫了啁啾雷射脈衝—電漿加速機制的多粒子和PIC仿真代碼。研究發現，在相同雷射脈衝能量情況下，相比於長脈衝啁啾雷射而言，由於加速場梯度更大超短啁啾雷射脈衝加速帶電粒子效率更高。在一定雷射和靶材參數情況下，我們模擬產生了滿足強子癌症治療參數條件的高質量離子束，並且，進一步模擬研究了離子腫瘤治療基本物理過程。在啁啾雷射脈衝加速帶電粒子機制中，通過引入合適的外加橫向靜磁場，被加速並已經遠離強雷射場區的電子可以被外加靜磁場再次“拉回”到強雷射場區，從而再一次被雷射場加速並獲得更高的能量增益。在雷射粒子加速理論中，雷射脈衝電磁場直接決定了帶電粒子的動力學，因此，其類型的選取非常重要。我們研究了緊聚焦圓柱型矢量高斯雷射束加速帶電粒子機制。圓柱型矢量高斯雷射束是麥克斯韋方程組的矢量光束解，它的聚焦特性可以被Richards-Wolf矢量衍射理論數值分析。和傳統高斯雷射束相比，圓柱型矢量高斯雷射束電磁場的非對稱性更加顯著，從而更有利於帶電粒子加速並獲取高能量增益。研究還發現帶電粒子和雷射束的初始參數對帶電粒子進入雷射強場俘獲區並獲取高能量增益有重要的影響。因此，研究初始參數的最最佳化匹配問題有很重要的套用價值和理論意義。我們採用全局最最佳化方法對初始參數之間的匹配問題進行了詳細研究，分別獲得了帶電粒子能量增益的局域最佳化條件和全局最最佳化參數匹配。這些研究成果和方法對相應的實驗研究具有一定的指導和參考意義。此外，雷射光束在介質中的傳播問題也是研究重點之一。我們分別研究了修正空心高斯光束、像散空心高斯光束和具有軌道角動量的渦旋光束在強非局域非線性介質中的傳輸特性，並且，詳細分析了光束初始相位、聚焦半徑、橫向光強分布和功率等等初始參數對其傳輸特性的影響。隨著雷射實驗設施和技術的不斷發展，這些目前主要在弱光領域被研究的特殊光束有望被引入到強光研究領域中，例如雷射—電漿加速研究。