飞秒激光脉冲加热氘团簇引发原子核聚变

作为一种介于分子和块状固体之间的物质形式,原子团簇已得到广泛的研究[1]。团簇中的光感应过程[2,3]能导致光子分裂和库仑裂变[4],产生带几个电子伏(ｅＶ)能量的原子和离子碎片。然而,最近对于高强度(>1016Ｗｃｍ-2)飞秒激光脉冲导致原子团簇光致光致电离的研究表明,这种相互作用可以非常强烈[5～13]。大原子团簇的激发能够产生超高温等离子体,喷射出的离子动能高达1ＭｅＶ。这个现象表明,通过照射氘团簇,有可能产生具有足够平均离子能量的等离子体,导致重大的原子核聚变。本文报告,在用高重复率紧凑台式激光器加热氘团簇使其爆炸的实验中,…     

飞秒强激光脉冲与氢团簇相互作用产生的最大质子能量与团簇尺寸的相关性

报道了飞秒强激光脉冲(60 fs,790 nm,2×1016W/cm2)与纳米尺寸的氢团簇(半径rc约为1~3 nm)相互作用,产生的最大质子能量Emax对于团簇半径rc相关性的实验研究结果。从激光-氢团簇相互作用产生的质子的飞行时间谱测量以及团簇尺寸的瑞利散射诊断结果,得到Emax与r2c成线性正比关系,比例系数为0.75,与报道的理论模拟结果一致,表明氢团簇发生纯库仑爆炸。实验结果同时提示,进一步的理论模拟应考虑气体喷流中团簇的尺寸分布。     

飞秒强激光脉冲与H原子团簇相互作用的库仑爆炸过程模拟

运用经典粒子动力学模拟方法，研究了飞秒强激光脉冲(10^15～10^16W／cm^2)与正二十面体构型氢原子团簇H13,H55，H147和H309的相互作用。通过模拟分析团簇的膨胀过程，发现团簇的膨胀是各向同性的，团簇的膨胀尺度R(t)／R(0)随团簇尺寸的增大而减小，即团簇尺寸愈大，与激光相互作用后膨胀碎解过程愈慢。研究结果表明，随着团簇中原子数目的增多，团簇库仑爆炸后所产生的离子的动能相应增大。由于正二十面体的对称壳层结构，离子动能分布具有尖峰结构。团簇库仑爆炸后离子的最大动能Emax与团簇库仑爆炸前的尺寸的平方成正比。且Emax随激光光强I增加而增大。但是当I增大到一定值Is时，Emax将出现饱和，这是因为I的增强已经不再改变团簇内原子的电离状态。随着团簇尺寸的增大，激光光强饱和值和离子能量将会继续提高。     

飞秒脉冲激光等离子体产生的二次谐波及基波光谱特性的研究

超短脉冲激光与固体靶相互作用产生的高温高密等离子体中的物理过程是非常复杂的．在超短脉冲激光等离子体的研究中;二次谐波光谱特性的研究可以提供有关激光吸收机制、密度标量长度及超热电子产生的信息．因此对二次谐波的研究成为诊断激光等离子体相互作用的有力工具． 本文报告物理所光物理实验室的超短脉冲激光与固体把相互作用产生的二次谐波的研究、并通过基波及二次谐波的光谱特性、对等离子体的膨胀速度及等离子体温度的诊断． 实验所用的掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光系统输出脉宽 １５０ ｆｓ、能量为 ５ ｍＪ,波长 ８９０ ｎｍ　的激…     

飞秒激光作用下高能离子产生的实验研究

为了探索飞秒脉冲激光与固体靶相互作用中高能 离子的能量分布特性,在超短超 强激光装置“SILEX-I”上进行了超强激光与平面薄膜Cu靶的相互作用中高能离子能谱分布 的实验研究。采用固体核径迹探测器CR39和Thomson离子谱仪相结合 的方式,在固体 靶背表面法线方向测量了质子和C离子能量分布和产额。结果显示,同时测量到了 H⁺质子和C1＋、C2＋、C3＋和C4＋信号,离子沿靶背法线 方向发射,离子出现能量截断, 离子的截止能量之比为1∶2∶3∶4。在CR39上 质子信号比C离子信号强,质子产额远高于C 离子产额;在同一发打靶中,C1＋、C2＋、C3＋和C⁴⁺随着 荷质比的减小,相应的离子的截 止能量也在减小。这一结果将为惯性约束聚变(ICF)“快点火”方案的可行性分析提供参 考依据。     

用激光溅射的方法在离子阱中产生和囚禁碳原子团簇离子

利用激光溅射的方法，已经在离子阱中产生并囚禁了Ｃ＋ｎ（ｎ＝１～１３）原子团簇离子，并取得了溅射产生原子团簇的质量范围随激光脉冲能量的变化以及原子团簇离子的稳定存储随囚禁时间的变化关系等结果。囚禁时间可达２０ｓ。     

飞秒激光诱发的医用质子束特性的实验研究

为了探索飞秒脉冲激光与固体靶相互作用中医用质子束特性,在超短超强激光装置"SILEX-I"上进行了医用高能质子束特性实验研究.实验利用HD810辐射变色膜片(RCF)、CR39核径迹探测器和Thomson离子谱仪分别在固体靶背表面法线方向测量了质子束的空间分布、束密度、产额和能谱.实验结果表明:质子束沿着靶背法线方向发...     

飞秒激光作用下高能离子的产生与加速

为了探索飞秒激光与固体靶相互作用中高能离子的 产生和加速机制,在超短超强激光装置 “SILEX-I”上进行了超强激光与平面薄膜Cu靶的相互作用中高能离子能谱分布的实验研究 。实验采用固 体核径迹探测器CR39和Thomson离子谱仪相结合的方式,在固体靶背表面法线方向测量了质 子和C离子能 量分布和产额。实验结果表明,实验观察到了质子和C4＋、C3＋、C2＋ 和C¹⁺离子信号;离子沿着靶背法线方 向发射,离子在一定能量处出现截断;质子和C4＋、C3＋、C2＋及C 1+离子的截止能分别是1221941keV、 1899、624、422keV;随着C离子电荷数增加, 产额也随着增加;质子的产额远远高于C离子。经分 析,高能离子的产生和加速是多种作用机制共同作用的结果,其中静电场中的靶后鞘层加速 (TNSA)机制则占主导地位。     

相对论飞秒激光与微结构靶相互作用增强太赫兹波产生的数值模拟研究

为了增强相对论飞秒激光与固体靶相互作用下太赫兹波的产生,提出了前端锥形开口的纳米丝靶结构,并通过胞中粒子法(Particle-In-Cell)数值模拟,研究了该结构对太赫兹波产生的影响,还与普通结构的纳米丝靶所产生的太赫兹波结果进行了对比。结果显示,前端锥形开口的纳米丝靶结构能够明显增强太赫兹波的产生,在探测点位置得到了比普通纳米丝靶中的太赫兹波电场强3倍的结果。最后详细分析了不同靶型结构影响太赫兹波产生的物理因素,发现不同靶型结构通过影响入射激光的吸收与反射,进而影响靶后超热电子的能量与数目。上述研究结果将有助于推动强场太赫兹波领域的发展,为实验研究提供方案和数据支撑。     

强场物理中超热电子的产生及输运

在100TW超短脉冲钛宝石激光装置上完成了飞秒激光-固体靶相互作用中超热电子的产生及输运特性的实验研究。获得了超热电子的能谱、产额、注量和总能量。结果表明,随着功率密度的增加,靶前法线方向的超热电子更容易产生;超热电子的注量和总能量随靶厚度的增加而减少。超热电子约80%的能量主要沉积在靶内的前10μm,分析表明,这主要是静电场的影响所致。     

离轴抛物面镜对超短激光脉冲紧聚焦特性的研究

为了研究超短激光脉冲光束质量对焦斑的影响,采用经典的几何模型进行了理论模拟分析,并实验研究了离轴90°抛物面镜的飞秒激光光束的紧聚焦特性。由理论分析和实验结果可知,当入射失准角为3mrad时,将从空间上使焦斑峰值功率密度减半,失准角的存在将引起到达靶面的激光脉冲的时间展宽从而降低焦斑峰值功率密度;利用3TW钛宝石飞秒激光系统,通过ƒ/1离轴90°抛物面镜对激光束进行紧聚焦,得到最佳焦斑尺寸为5.6μm×5.4μm,对应于3mJ和96mJ的飞秒脉冲激光光束的焦斑峰值功率密度分别为3.83×1017W/cm2和1.23×1019W/cm2。结果表明,该研究为开展激光与固体、气体、团簇等物质相互作用的相关实验提供了重要的参考。     

液体产生太赫兹波的特性研究

最新的实验研究表明通过激光激发液体诱导等离子体可产生宽带太赫兹波,且液体作为太赫兹波辐射源具有独特的性质。液体具有与固体相当的物质密度,激光在一定区域内与分子的相互作用比气体多三个数量级;而与固体相比,液体的流动性使得每一个激光脉冲可与目标物液体靶的新区域相互作用。这些特性使得液体在高能量密度等离子体的研究中具有广阔的前景,甚至有可能成为下一代太赫兹波辐射源。本文全面综述了液体的流体状态和种类、激光入射位置和角度、脉冲持续时间以及脉冲能量等因素对产生太赫兹波的影响。     

罗兹小组在0.29 nm波长观察到增益饱和放大

最近,位于美国芝加哥的伊利洛易斯大学查理*罗兹研究组利用飞秒强激光与团簇相互作用,在高度电离的氪原子中观察到0.29 nm波长的X射线激光增益饱和放大。小组负责人罗兹于2000年12月27日在上海光机所的访问报告中给出了较详细的内容。 实验利用250 fs,能量约350 mJ的太瓦KrF激光,聚焦在喷气靶上。真空焦斑尺度约3 μm。由于激光与喷气靶形成的Kr原子团族的有效作用,在团簇中形成了长度大于1.5 mm的沟道。沟道的横向尺度小于6 μm。实验发现,在出现沟道时,在沟道的前向观察到Kr原子的34价、35价、36价离子的L-壳层X射线发射增强,波长在0.29 nm附近。而相应谱线在横向的发射强度较临近的非激光谱线强度有所降低。这被解释为激光发射的饱和效应所致。通过实验测量和一些参数的估算表明,饱和X射线激光的能量约20 μJ,脉宽约100 fs,发散角0.6 mrad,亮度约1029国际单位。 罗兹在报告中还指出,除了团簇和沟道外,实现这一波长的饱和X射线激光还有一个重要因素,即沟道形成的本征模式与团簇的匹配。而他们的研究发现,KrF激光在这方面是理想选择。 (王晓方)     

短脉冲激光等离子体相互作用的离子发射谱研究

短脉冲强激光系统的建立,为激光与等离子体相互作用的研究提供了非常新颖和有利的实验条件。短脉冲强激光辐照固体靶,能瞬间在固体表面形成非常薄(小尺度)的高密度等离子体。由于短脉冲激光上升沿较陡,所产生的激光等离子体便具有一些新的特征,其产生机理,二次谐波发射,X射线发射,以及离子发射都与长脉冲激光等离子体有所差别。     

激光等离子体相互作用中量子电动力学效应对激光能量吸收的影响

为了研究强激光与等离子体相互作用中的量子电动力学(QED)效应对激光能量吸收的影响,用理论方法对强度为I>10^22wcm^-2、反方向传播的两束圆极化强激光与等离子体固体靶相互作用过程进行研究。探讨经典和QED情况下的辐射阻尼效应对激光能量吸收的影响。结果表明,在QED情况下,在相互作用过程中能够产生高能电子和高能辐射。这些高能电子集体振荡过程中的辐射阻尼导致激光能量的强吸收。QED情况比经典情况具有更好的实际应用价值。     

气压对激光诱导等离子体辐射特征的影响

我们使用Ｎｄ：ＹＡＧ激光器烧蚀金属Ａｌ靶获得等离子体,在１００Ｐａ～１００ｋＰａ气压范围内,进行了环境气体压强对激光诱导等离子体辐射特征影响的研究．使用的气体是Ａｒ气,激光能量１４５ｍＪ．结果发现,最大特征辐射强度在１０ｋＰａ、靶前０．１ｍｍ处、延时１８０ｎｓ获得;而信号－背景是在靶前１．０ｍｍ处、延时４５０ｎｓ达到最大值．基于Ａｌ等离子体不同气压下的时间－空间分辨谱,对结果进行了简单的讨论．     

强场物理中超热电子能量沉积特性的实验研究

报道了在100 Tw超短脉冲掺钛蓝宝石激光装置上,完成的飞秒激光-固体靶相互作用中超热电子的能量沉积实验,获得了靶后激光传播方向超热电子的能谱、产额、注量和总能量.结果表明,超热电子的注量和总能量随靶厚的增加而减少,超热电子约80%的能量主要沉积在靶内的前10μm,分析其原因是由于静电场的影响所致.     

缓慢上升快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用的太赫兹辐射产生研究

飞秒激光脉冲与气体等离子体作用可以产生宽带、强的太赫兹脉冲辐射。采用一种缓慢上升、快速下降的飞秒激光脉冲与气体等离子体作用产生太赫兹辐射,并基于等离子体电流模型计算了这种太赫兹辐射的特性。由于这种特殊整形的激光脉冲能够对电子的加速产生较大的速度,从而可以产生较大的等离子体电流和较强的太赫兹辐射。计算结果显示:尽管这种特殊整形的飞秒激光脉冲能量有所损失,它能够比普通双色飞秒激光脉冲产生更强、更宽的太赫兹脉冲辐射。该项研究为基于激光等离子体作用的太赫兹辐射源提供了新的思路。     

强激光驱动的运动电场加速质子的研究

为了研究激光辐射压驱动的运动电场中加速质子的相关问题,对强激光与等离子体相互作用过程进行了理论分析,并采用2维粒子模拟方法,对理论分析结果进行了数值模拟验证。结果表明,当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时,在固体靶后部形成一个由电子层-离子层组成的双层结构,在激光辐射压的不断推进下,双层结构在背景等离子体里以一定速度传播形成一个运动电场;在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量,质子的最大能量达到20GeV。理论分析结果与2维粒子模拟结果符合得很好。     

靶后鞘层机制加速离子的研究进展

在超短强激光与固体薄膜靶相互作用产生高能离子的研究领域内,由于靶后静电场持续时间较长、离子具有较好的准直性及单能性,靶后鞘层加速(TNSA)机制一直都是研究重点。介绍了TNSA机制的理论模型、近期的实验结果以及模拟验证,并系统讨论了通过结构优化得到高质量离子束的方案,最后综述了近期国内外利用TNSA机制加速离子的研究进展。