[发明专利]超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统

说明书

本发明提供了一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，包括高斯激光发生器、微通道靶和光扇靶；所述高斯激光发生器产生高斯激光，并沿微通道靶轴线射入微通道靶；所述高斯激光将微通道靶壁的电子离化，形成涡旋结构的电子束，并在激光作用下得到加速；高斯激光在传输到微通道靶的尾端时照射到与入射激光的光轴及微通道靶的轴心垂直的光扇靶上，形成具有涡旋结构及角动量的反射激光；反射激光与微通道内的涡旋结构的电子束发生碰撞，电子束在激光电场作用下辐射产生涡旋γ光子束。本发明通过通道靶及光扇靶的结合，使得在现有激光技术条件下也可进行实验研究，为人们认识及操控微观粒子提供了新方向，具有重要的现实及科研意义。

技术领域

本发明属于激光与等离子体技术领域，具体涉及超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统。

背景技术

X/γ-射线自从被发现以来就被广泛地应用于很多领域，例如：原子核物理、实验室天体物理、等离子体物理、放射肿瘤学、金属工业等。基于激光等离子体相互作用的γ射线源不同于传统加速器辐射源，具有脉宽短、亮度高和尺寸小的优点，在基础科研、医疗、工业等领域具有重要应用前景。涡旋伽马射线是在实验室条件下探究并模拟如黑洞或中子星等大质量天体不可或缺的工具。同时，通过引入γ光子角动量这一新自由度，为激光等离子体研究提供了新视角，打开了人们认识及操控微观粒子的新方向，有望在皮米和亚飞秒的时空尺度内对微观粒子动力学进行操控，提升对微观粒子动力学的认识。

近年来，关于强激光与等离子体相互作用产生涡旋γ光子束吸引了国内外学者的广泛关注。基于激光等离子体产生涡旋γ光子束的方案先后被提出，2016年，Liu等人提出利用一束圆极化拉盖尔-高斯激光照射薄靶产生携带有轨道角动量的高能γ射线光子束。在相互作用过程中，驱动涡旋激光的自旋角动量和轨道角动量首先传递给电子束，然后通过量子辐射传递给γ射线光子。2018年，朱兴龙等人提出采用一束圆极化拉盖尔-高斯激光脉冲与锥-平面靶相互作用来产生高亮阿秒γ射线脉冲列。在此过程中，涡旋激光的角动量通过非线性康普顿散射传递给γ光子。同时，来自德国海德堡马普所的Chen等人也通过具有涡旋特性的拉盖尔-高斯激光与固体靶相互作用触发高能电子的非线性康普顿散射，获得了涡旋伽马射线。然而绝大多数方案采用激光强度在10²¹W/cm²及以上的超强涡旋光作为驱动源，基于目前激光技术的发展，涡旋激光的最高强度仅达到10²⁰W/cm²。因而，上述这些方案在实验实现方面还面临较大困难。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统。

为实现该目标，本发明所采用的技术方案是：

一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，所述系统包括高斯激光发生器、微通道靶和光扇靶；

所述高斯激光发生器产生高斯激光，所述高斯激光沿所述微通道靶的轴线射入所述微通道靶；

所述高斯激光将微通道靶壁的电子离化，形成涡旋结构的电子束，并在激光作用下得到加速；

所述高斯激光在传输到微通道靶的尾端时照射到与微通道靶的轴线垂直的光扇靶上，形成具有涡旋结构及角动量的反射激光；

所述反射激光与微通道靶内的涡旋结构的电子束发生碰撞，电子束在激光电场作用下产生涡旋伽马光子束。

进一步的，所述光扇靶的厚度随围绕光扇靶轴心的角度变化而增大或者减小，所述光扇靶整体呈阶梯状，每级阶梯远离微通道靶的一面在同一平面上，靠近微通道靶的一面的位置随角度的变化而不同。

进一步的，所述光扇靶设有n级阶梯，可分为n≥4级的阶梯，相邻每级阶梯厚度之差为λ/2n，其中，λ为高斯激光的波长，n为正整数且n≥4，为保证激光不会穿透光扇靶，

进一步的，最小的阶梯厚度l满足