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Ph.D. Dissertation Submitted to Shanghai Jiao Tong University
The theoretical and numerical simulation research for
Ultra-intense Laser-driven ion acceleration
Candidate: Jin-Lu Liu
Department: Physics
Supervisor: Prof. Zheng-Ming Sheng
Major: Optics
Shanghai Jiao Tong University
May 2013
万方数据
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上海交通大学博士论文
摘 要
随着激光技术的进步尤其是啁啾脉冲放大 (Chirped Pulse Amplification, CPA) 技术
的发明,使人类可以在实验室里获得前所未有的超强光场条件,这极大地拓宽了光与物
质相互作用的研究领域,进入到强相对论非线性光学。这一领域有着十分丰富的研究内
容,诸如激光电子加速、激光离子加速、高次谐波与阿秒脉冲产生、激光核物理,甚至
非线性真空物理等等。研究的应用前景也十分广阔,不仅能为人们提供高能粒子源,高
能辐射源,还为人们探测超快物理现象打开了未知的大门。在激光物质相互作用众多的
研究分支中,激光离子加速最依赖于也最受惠于激光光强的迅速提高。由于离子的质量
相比于电子要大得多,因此对其的加速也比电子困难得多。迄今人们提出了激光驱动离
子加速的一些机制,如靶后法向鞘层加速 (TNSA) 、辐射压加速 (RPA) 、介于上述两者
之间的所谓 BOA 机制、无碰撞静电冲击波加速等。但这些加速机制存在着最大离子能
量低、单能性差,加速所得离子能量转化效率低、或者对激光参数的要求极高以至于难
以在实验室实现等问题,与实际应用要求还存在着较大差距,亟须提出实用的方案,获
得具有实用性的高品质离子束。基于这一背景,本论文研究了激光离子加速的主要理论
机制,从激光直接加速离子、激光与固体密度等离子体靶相互作用、新型固体靶设计等
角度提出了多种加速方案。主要工作如下:
1. 基于平面波角谱分析方法,提出精确满足 Maxwell 方程组的矢量光场解析解。将这
个解用于描述径向极化 Laguerre-Gaussian 激光场,发现当激光束腰半径小于波长时,
我们的解所得到的纵向电场可以显著大于横向电场。结合我们的方法,利用泰勒级
数展开得到紧聚焦少周期径向极化激光脉冲在真空中传播的解析解。与先前已经大
量研究的基于傍轴近似的解描述激光脉冲相比较,无论光束束腰半径较小或者较大
(与波长相比较)都有着显著的不同。利用我们的解对径向极化少周期激光脉冲的
电子加速进行研究,发现我们的解得到的电子能量显著大于采用傍轴近似解所得到
的结果。
I
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上海交通大学博士论文
2 . 利用上一章的方法得到紧聚焦径向极化啁啾激光脉冲的解析解,研究径向极化啁啾
强激光脉冲对质子进行直接加速,发现在该种激光脉冲中加入合适的负啁啾可以有
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效地对质子进行直接加速。在激光强度约为 10 W/cm ,入射质子能量为45MeV 时,
经过激光加速获得的能量达到近 GeV 。
3. 目前大部分的离子加速实验都是基于TNS
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