[发明专利]一种基于等离子体透镜的激光离子加速系统及其加速方法

说明书

技术领域

本发明涉及高能粒子加速技术，尤其涉及一种基于等离子体透镜的激光离子加速系统及其加速方法。

背景技术

激光加速是一门新兴的加速器学科，利用强激光与物质相互作用，从而产生带电粒子束流。与传统的加速器相比，激光加速的加速梯度高出三个数量级，体积较小。目前，激光加速已经步入实验阶段，加速电子和离子都已经在实验中实现。激光加速电子已经取得了相当的成绩，而激光加速离子相对发展缓慢，并且离子束流品质还有待进一步提高。目前，激光加速是采用相对论光强(光强超过10¹⁸W/cm²)的飞秒(或皮秒)激光与μm(或nm)厚度的金属等靶相互作用，来产生离子束流。激光以及靶的参数对于加速离子束流的品质都有影响。

实验上一般基于靶后鞘层场加速理论，实现了激光离子加速，但是进一步提高束流品质较难。2004年T.Esirkepov等人提出高效率的离子加速方案——光压加速机制。其利用强相对论激光(光强超过10²⁰W/cm²)与纳米薄膜靶作用，在激光波前区域击穿薄膜靶。激光推动电子离子薄层整体运动，激光被反射同时部分能量转化为等离子体能量，从而得到准单能的GeV量级的离子束流。强相对论激光与薄膜靶作用，击穿层薄膜靶速度接近光速，且反射率R≈1，实现非常好的离子单能性(离子能量集中分布)以及超高的激光到离子转换效率。然而，要实现这种加速机制，需要满足一定的条件：第一、合适的靶厚度，最佳厚度处于激光的推动作用和靶的静电分离相互平衡，同时刚好可以被激光穿透，当光强过高时，激光能量大部分穿透靶，电子被激光推出而离子跟不上电子，则离子无法得到有效加速。当光强过低时，激光也无法把靶做为一个整体来推动；第二、高性能的激光脉冲，主要指激光的对比度以及光强，需要超高的对比度(优于10^-9)以保证薄膜靶在激光主脉冲到达之前不被破坏。预脉冲光强较高(低对比度)很可能将薄膜靶完全破坏，无法形成稳定的加速结构。另一方面，光强达到10²⁰W/cm²以上，光压加速基本假设才能得以满足。现有的激光技术很难同时满足光强、对比度以及脉冲包络的需求。

预脉冲是实验室激光脉冲难以避免的重要的组成部分，位于激光主脉冲前端，光强低于主脉冲几个数量级(该数量级一般为4～12)，持续时间在ns量级。预脉冲的产生主要是由于激光放大过程中，激光增益介质的自发放大辐射。描述预脉冲的参数主要有：脉冲持续时间和对比度。对比度是预脉冲和激光主脉冲的光强的比值。相对论强度激光的预脉冲对于激光离子加速有重要的影响：预脉冲在主脉冲到达之前与薄膜靶相互作用，造成薄膜靶的烧蚀和变形。烧蚀变形后的薄膜靶，由于其结构的改变直接影响了加速电场的稳定性，特别是对于纳米厚度薄膜靶，预脉冲完全破坏其结构并直接导致加速结构无法形成。因此，目前激光加速普遍采用的是激光与微米量级厚度的靶相互作用，以避免预脉冲的负面效果。

近年来，人们研究发现，强相对论激光在临界密度等离子体中传播时，由于激光脉冲改变等离子体密度分布，等离子体的折射率受密度分布影响从而改变激光的传播，产生聚焦的作用。当聚焦效果与激光传播的散焦效果相当时，激光稳定的传播，形成相对稳定的自适应通道。在以上的调制作用中，激光脉冲光强和对比度得到提高，激光光束得到整形，光束品质得到大幅度改善，足以满足与纳米薄膜靶相互作用的要求。整形后的激光结合纳米薄膜靶可以极大提高激光加速的效率和离子束的品质。然而，目前激光脉冲整形的理论，研究了均匀分布的临界密度等离子体中激光脉冲的整形，这是一种基于理想条件的理论研究，由于无法控制以及操作性的问题，很难在实验中实现。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于等离子体透镜的激光离子加速系统及其加速方法，使用激光预脉冲，烧蚀金属靶前表面，制备临界密度等离子体，并以此实现激光脉冲整形并应用于后续离子加速，实现方法简单易行。

本发明的一个目的在于提供一种基于等离子体透镜的激光离子加速系统。

本发明的基于等离子体透镜的激光离子加速系统包括：激光脉冲以及靶；其中，激光脉冲包括激光主脉冲和激光预脉冲；靶沿激光脉冲的传播方向包括透镜部分和加速部分，激光预脉冲与靶的透镜部分相互作用，产生临界密度等离子体；激光主脉冲与临界密度等离子体相互作用，产生等离子体透镜效应，对激光主脉冲聚焦整形；整形后的激光主脉冲满足光压加速条件，与靶的加速部分相互作用，产生离子束流出射。