激光與陡峭密度梯度等離子體相互作用電子加熱機(jī)制研究

黃永盛，湯秀章，路建新，蘭小飛，張 驥

（中國原子能科學(xué)研究院 高功率準(zhǔn)分子激光實(shí)驗(yàn)室，北京 102413）

激光與陡峭密度梯度等離子體相互作用電子加熱機(jī)制研究

黃永盛，湯秀章，路建新，蘭小飛，張 驥

（中國原子能科學(xué)研究院 高功率準(zhǔn)分子激光實(shí)驗(yàn)室，北京 102413）

本文利用二維PIC模擬了超短超強(qiáng)激光與陡峭密度梯度等離子體相互作用過程中電子的加熱機(jī)制。結(jié)果表明，在1023W／cm2的超短超強(qiáng)激光場與陡峭密度分布的μm級等離子體層相互作用的過程中有質(zhì)動力加速、大幅度等離子體尾場及共振吸收共同決定了電子束的加速與加熱。

超短超強(qiáng)激光；等離子體；電子；等離子體尾場

隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展，利用激光轟擊固體靶得到準(zhǔn)單能的高能離子束在超高梯度加速器的小型化［1］、質(zhì)子束驅(qū)動核聚變［2-3］、高能γ射線產(chǎn)生［4-5］、質(zhì)子治癌及作為傳統(tǒng)加速器的注入器等方面有著重要的應(yīng)用價值和科學(xué)意義。靶法線殼層電場加速機(jī)制（TNSA）［6］是一目前被普遍認(rèn)可的描述激光轟擊固體靶產(chǎn)生高能離子的加速機(jī)制，其理論基礎(chǔ)是等離子體真空自由膨脹模型。但目前尚無合適的理論來描述在超短時間尺度具有非麥克斯韋分布的非準(zhǔn)中性的等離子體膨脹，因而TNSA加速機(jī)制仍不太清楚。

當(dāng)一束超短超強(qiáng)脈沖激光與固體密度的等離子體相互作用時，Brunel［7］提出了真空加熱的物理機(jī)制來解釋具有陡峭密度梯度的等離子體中的電子加熱過程。對于中等強(qiáng)度的激光，真空加熱機(jī)制受到人們的認(rèn)可。真空加熱機(jī)制是基于“電容假設(shè)”的設(shè)想，忽略波的磁場。假設(shè)激光電場有一沿靶法線方向的分量，在此分量的作用下電子在平衡位置往復(fù)運(yùn)動，在此過程中電子的平均能量隨時間不斷增加，因而被加熱，這是一種新的加熱機(jī)制，不同于共振吸收［8-9］和J×B加熱［10］。但對于超相對論的激光場，真空加熱機(jī)制不再重要。為了研究超相對論下的電子加熱機(jī)制，本文利用二維PIC（particle in cell）模擬激光在其歸一化場強(qiáng)a＝223時與陡峭密度分布的等離子體的相互作用，并分析其中的電子加熱機(jī)制。

1 電子加熱機(jī)制數(shù)值模擬的初始狀態(tài)

圖1為PIC模擬初始狀態(tài)。在PIC中對參數(shù)均進(jìn)行了歸一化處理：x1、x2分別為電子縱向和橫向坐標(biāo)；時間歸一化為等離子體頻率；長度歸一化為c／ωp，其中c為真空光速，ωp為等離子體頻率；能量歸一化為電子靜止能量初始化的物理狀態(tài)。模擬時激光聚焦在靶的前表面，等離子體密度為50nc（nc為等離子體的臨界密度），激光歸一化場強(qiáng)a為223。

圖1 PIC模擬初始狀態(tài)Fig.1 Initial condition of PIC simulation

2 模擬結(jié)果及分析

圖2～9為不同時刻模擬的電子狀態(tài)及電場分布圖。圖中，p1、p2分別為電子縱向和橫向動量；nE為電子密度隨能量的分布；Ee為電子能量；np為電子密度隨動量的分布。

圖2 t＝0.035 621fs時電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.2 State of electron and distribution of electric field at t＝0.035 621fs

激光與電子相互作用發(fā)生的時間極短（幾個fs）。在t＝0.035 621fs時，電子可獲得10mec的動量，且加速的電子幾乎被一起推進(jìn)靶。在此過程中，電子的加速由有質(zhì)動力決定，不屬于真空加熱，電子未往復(fù)運(yùn)動。由圖2可看出，t＝0.035 621fs時，電子能譜幾乎為均勻分布。

由圖3可看出，t＝0.356 21fs時電子密度分布出現(xiàn)了典型的波浪結(jié)構(gòu)。能譜出現(xiàn)了1個微峰結(jié)構(gòu)。但總體而言，所有電子仍被有質(zhì)動力推動，未往復(fù)運(yùn)動。電子的局部密度很高。

圖3 t＝0.356 21fs時電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.3 State of electron and distribution of electric field at t＝0.356 21fs

由圖4可看出，t＝0.712 42fs時被加速的電子進(jìn)入靜止的電子區(qū)域，激光場推動了新一層的電子層，高能電子進(jìn)一步增多，并被熱化，所以從能譜中可看到1個新的微峰結(jié)構(gòu)，這段時間內(nèi)有質(zhì)動力加熱占主導(dǎo)。

圖4 t＝0.712 42fs時電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.4 State of electron and distribution of electric field at t＝0.712 42fs

由圖5可看出，t＝1.068 6fs時，第2層電子進(jìn)一步被加速，并逐步追趕上第1層電子，第1層電子已逐步熱化，電子最大能量已接近40MeV。但此時電子區(qū)域仍處于被激光場壓縮1／4周期的過程中，有質(zhì)動力加速仍占主導(dǎo)，等離子體的電荷分離場仍不足以將電子拉回，從而無法形成電子回流。

圖5 t＝1.068 6fs時電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.5 State of electron and distribution of electric field at t＝1.068 6fs

由圖6可看出，在接近2fs時，在電子區(qū)域已出現(xiàn)了較強(qiáng)的等離子體電荷分離場，但此場仍小于激光有質(zhì)動力場，不具備形成電子回流的條件。此時被有質(zhì)動力加熱的電子已熱化，分為兩群：1）高能（20～30MeV）低溫約2.5MeV；2）低能（0～20MeV）高溫約10MeV。且熱化的電子層厚度達(dá)0.1μm，電子感受到的激光場為小于1／4周期的y方向的場。

圖6 t＝1.959 2fs時電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.6 State of electron and distribution of electric field at t＝1.959 2fs

從圖7可看出，當(dāng)t＝3.562 1fs時，在空間電荷力的作用下，電子出現(xiàn)回流效應(yīng)，而此時被有質(zhì)動力加熱的電子已接近熱平衡。電子能量在90MeV處截止，溫度約為18MeV。由于電子回流效應(yīng)的出現(xiàn)，電荷分離場將出現(xiàn)雙極場形式。電子的速度幾乎均為正值，無明顯的往復(fù)運(yùn)動，不滿足真空加熱的情況。

圖7 t＝3.562 1fs時電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.7 State of electron and distribution of electric field at t＝3.562 1fs

從圖8可看出，當(dāng)t＝7.124 2fs時，雙極型電荷分離場形成，有明顯的電荷分離場。在激光場振幅處，電子有共振吸收的情況。由于在y方向電子被共振加熱，因此，整個靶型開始扭曲。在x方向，電子群分為兩部分：1）高能部分，被有質(zhì)動力加速并達(dá)到熱平衡；2）回流部分，被電荷分離場牽制并熱化。

圖8 t＝7.124 2fs時電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.8 State of electron and distribution of electric field at t＝7.124 2fs

由圖9可看出，當(dāng)t＝21.016 3fs時，等離子體薄膜幾乎解體，整個電子群分為兩群，一群是被有質(zhì)動力加速的，中心能量為300MeV，能散為100MeV，另一群是被等離子體尾場加速并熱化的，溫度約為64MeV。在低能區(qū)，由于電子的總數(shù)不變，隨等離子體的快速膨脹，所占的空間迅速增加，因而其密度就會快速下降。由圖9還可看出，在激光場中等離子體出現(xiàn)了明顯的共振調(diào)制。

圖9 t＝21.016 3fs時電子狀態(tài)及電場分布圖Fig.9 State of electron and distribution of electric field at t＝21.016 3fs

3 結(jié)論

從上述模擬結(jié)果可知，超強(qiáng)激光場與陡峭密度分布的μm級的等離子體層相互作用的過程中，電子加熱的機(jī)制有以下3種。

1）被激光場有質(zhì)動力加速，為高能部分，中心能量為600MeV，能散為100MeV，沿激光方向出射。

2）被激光等離子體尾場加速并熱化，形成明顯的雙極型的電荷分離場及電子回流效應(yīng)。溫度在64MeV左右，主要為雙向發(fā)射的電子束。

3）在y方向，當(dāng)?shù)入x子體尾場形成后，等離子體開始膨脹，有電荷回流效應(yīng)后，部分等離子體能處于激光場振幅相位處，電子被明顯地共振加熱。這將直接導(dǎo)致薄膜靶的扭曲解體。

［1］ SCHWOERER H，PFOTENHAUER S，JACKEL O，et al.Laser-plasma acceleration of quasimonoenergetic protons from microstructured targets［J］.Nature，2006，439（7075）：445-448.

［2］ NUCKOLLS J，WOOD L，THIESSEN A，et al.Laser compression of matter to supper-high densities：Thermonuclear（CTR）applications［J］.Nature，1972，239（9）：139-142.

［3］ MOUROU G A，TAJIMA T，BULANOV S A.Optics in the relativistic regime［J］.Review of Modern Physics，1998，78（2）：309-371.

［4］ CORKUM P B.Plasma perspective on strong field multiphoton ionization［J］.Physical Review Letters，1993，71（13）：1 994-1 997.

［5］ LHUILLIER A，BALCOU P.High-order harmonic generation in rare gases with a 1ps 1 053nm laser［J］.Physical Review Letters，1993，70（6）：774-777.

［6］ WILKS S C，LANGDON A B，COWAN T E，et al.Energetic proton generation in ultra-intense laser-solid interactions［J］.Physics of Plasmas，2004，8（2）：542-549.

［7］ BRUNEL F.Not-so-resonant，resonant absorption［J］.Physical Review Letters，1987，59（1）：52-55.

［8］ GINZBURG V L.The propagation of electromagnetic waves in plasmas［C］∥Proceedings of International Series of Monographs in Electromagnetic Waves，Monographs in Electromagnetic Waves.New York，Oxford：Pergamon，1970.

［9］ KRUER W L.The physics of laser plasma interactions［M］.United States：Addison-Wesley Publishing Co.，1988.

［10］KRUER W L，ESTABROOK K.J×Bheating by very intense laser light［J］.Physics of Fluids，1985，28（1）：430-431.

Study of Electron Heating Mechanism in Interaction Between Laser Pulse and Plasmas With Steep-density Distribution

HUANG Yong-sheng，TANG Xiu-zhang，LU Jian-xin，LAN Xiao-fei，ZHANG Ji
（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box275-7，Beijing102413，China）

The electron heating mechanism was studied using PIC simulation in the interaction between the ultra-short ultra-intense laser and the steep-density scale length plasmas.It is found that the ponderomotive acceleration，large amplitude plasma wake field and resonant absorption determine the heating of electrons.

ultra-short ultra-intense laser；plasma；electron；plasma wake field

O434；TL65

A

1000-6931（2014）02-0213-06

10.7538／yzk.2014.48.02.0213

2013-05-30；

2013-07-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11105233，11105234）；973計劃資助項(xiàng)目（2011CB808104）

黃永盛（1982—），男，山西忻州人，副研究員，博士，從事激光等離子體相互作用及激光粒子加速研究