一种基于脉冲周期数主导激光尾波场电子加速的分析方法技术

本发明专利技术提供了一种基于脉冲周期数主导激光尾波场电子加速的分析方法，包括：固定初始激光归一化强度、激光脉冲宽度并改变激光波长，得到不同周期数激光脉冲在等离子体中激发出电子密度空泡结构并形成能对电子加速的尾波场；开启一次激光尾场加速模拟，线极化激光在等离子体中激发出空泡结构，对空泡结构的演化进行多次快照，得到不同时刻的空泡结构图；对不同时刻的空泡结构图进行统计分析，得到空泡结构质心横向坐标的变化Δz

【技术实现步骤摘要】
一种基于脉冲周期数主导激光尾波场电子加速的分析方法


[0001]本专利技术涉及新型粒子加速技术和空间辐射环境
，特别地，涉及一种基于脉冲周期数主导激光尾波场电子加速的分析方法。

技术介绍

[0002]激光尾波场加速器是利用超强超短激光在等离子体中激发能对电子加速的尾波场，其加速梯度不受电离阈值的限制，加速梯度能达到100GeV/m以上，比传统加速器极限增加了1000倍。在激光尾波场加速过程中至关重要的是激光在等离子体中激发出能加速电子的尾波场，当前主流分析空泡结构的理论机制主要是平均有质动力模型，但该理论是基于多周期激光的平均包络模型，对于少周期激光驱动的尾场加速过程有质动力模型失效，必须考虑激光载波效应的影响，两者在空泡结构演化上存在竞争关系，竞争关系同激光周期数有关。
[0003]现有技术对于多周期激光脉冲驱动的尾波场加速过程使用有质动力模型分析研究已经比较成熟，能够给予实验良好的指导，对于少周期激光脉冲驱动的尾波场加速研究也方兴未艾，当前已有不少理论可以分析受到载波效应主导的少周期激光尾波场加速过程。但是从多周期过渡到少周期中存在的有质动力与载波效应之间的竞争及过渡关系的研究基本空白，而选取中等周期数的激光来驱动尾波加速对于提升加速电子束品质又具有重要意义。
[0004]因此，急需一种基于脉冲周期数主导激光尾波场电子加速分析方法的新型技术。

技术实现思路

[0005]为解决上述现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种基于脉冲周期数主导激光尾波场电子加速的分析方法，在初始有质动力与其他参数均相同的条件下，研究不同周期数的激光驱动尾场加速中有质动力和载波效应对于空泡演化过程的影响，得到了一个判断不同周期数的激光尾场加速过程是否由激光载波主导的方法，填补了相关研究的空白，并能给后续激光尾波场加速实验选择理论分析模型提供一定的指导。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于脉冲周期数主导激光尾波场电子加速的分析方法，包括：
[0007]通过固定初始激光归一化强度、脉冲宽度和焦斑半径以保证初始有质动力大小相同，改变激光波长以得到不同周期数激光脉冲在等离子体中激发出电子密度空泡结构进而形成能对电子进行加速的尾波场；
[0008]当开启一次激光尾场加速模拟时，线极化激光在等离子体中激发出空泡结构后，对空泡结构的演化进行多次快照，得到不同时刻的空泡结构图；
[0009]对不同时刻的空泡结构图进行统计分析，得到空泡结构质心横向坐标的变化Δz
c
；
[0010]当空泡结构质心横向坐标的变化Δz
c
≥0.01λ
p0
时，则该时刻激光尾场加速过程中
的主导效应为激光载波效应；其中，λ
p0
为初始时刻等离子体波长；
[0011]反之，则该时刻激光尾场加速过程中的主导效应为有质动力效应。
[0012]进一步的，对所述不同时刻的空泡结构图统计分析，发现有质动力主导下空泡质心较为平稳，横向振荡可以忽略，而激光载波主导下空泡质心在横向上具有较大的振动辐度，且振动频率同激光载波的变化频率相同。对于沿x方向传输，线极化方向为z方向的激光所驱动的空泡将在极化方向上受到激光载波演化影响而产生显著横向的振荡，而在垂直极化方向的y方向不受激光载波演化影响，空泡不会在y方向产生显著振荡。选取空泡的x
‑
z切面统计空泡结构质心的横向坐标变化可以判断空泡振荡的幅度，空泡结构质心的横向坐标变化表示为：
[0013][0014]其中n
e
(x,0,z,t)表示在t时刻坐标为(x,0,z)处的电子密度，n0表示背景电子密度，空泡的结构是高密度的电子鞘层结构，所以统计低于背景电子密度n0的情况是无效的，T
CEP
表示激光载波变化的周期。
[0015]进一步的，λ
p0
为初始时刻等离子体波长，该波长同初始时刻空泡的纵向长度相当。
[0016]进一步的，激光尾场加速模拟实验具体为：飞秒激光系统产生一束线极化的飞秒激光，所述飞秒激光通过光学系统调制飞秒激光的波长、焦斑和角度，调制后的飞秒激光射入气体靶内将气体靶中的气体分子电离成等离子体，并激发等离子体波形成电子密度空泡结构，驱动尾波场对电子进行加速。
[0017]进一步的，所述空泡结构的多次快照在实验中通过高速相机获得，能在数值模拟实验里快速导出。
[0018]进一步的，脉冲周期数包含少周期到多周期，分析判据适用于线极化激光的任意周期范围。
[0019]进一步的，所述等离子体为带有密度上升沿梯度的氢等离子体靶。
[0020]进一步的所述氢等离子体靶的电子数密度n0＝5
×
10
19
cm
‑3，密度上升沿长度20μm。
[0021]进一步的，设置初始激光归一化强度a0＝4，入射激光均沿x轴传播，z轴极化，横向和纵向上都是高斯型脉冲，激光场强度表达式为：
[0022][0023]其中ξ＝x
‑
ct为共动坐标，r为距离光轴的横向距离，激光脉冲宽度τ0＝10fs，焦斑半径σ0＝3μm。
[0024]本专利技术具有以下有益效果：
[0025]本专利技术提出一种基于脉冲周期数主导激光尾波场电子加速的分析方法，在初始有质动力与其他参数均相同的条件下，研究不同周期数的激光驱动尾场加速中有质动力和载波效应对于空泡演化过程的影响，得到了一个判断不同周期数的激光尾场加速过程是否由激光载波主导的的方法，填补了相关研究的空白，并能给后续激光尾波场加速实验选择理论分析模型提供一定的指导。
[0026]对于多周期的情况是有质动力主导，对于少周期情况是载波效应主导，而中等周
期数情况则有一个由有质动力主导过渡到载波效应主导的过程，判断出激光尾场加速过程中空泡演化的主导因素对于我们选用匹配的理论工具来正确分析该物理过程具有重要指导意义。本专利技术结合理论和三维粒子模拟实验，提出一种基于脉冲周期数主导激光尾波场电子加速的分析方法，该方法通过对不同激光周期数下尾波场加速过程的多次快照得到空泡结构的演化情况，并统计出空泡质心位置变化作为判据，以此判断不同周期数激光尾波场加速中空泡结构演化的主导因素。
[0027]本专利技术可以通过选择不同激光器，以及光学系统的设置可以得到不同波长的飞秒激光脉冲，利用超音速气体喷嘴技术可以得到不同形状的气体靶。激光入射后加速出的电子束经过磁聚焦系统后入射到辐射效应测试系统中，便可以分析该电子束的能谱和角发散度等信息。
[0028]本专利技术提出的一种基于脉冲周期数主导激光尾波场电子加速的分析方法，不仅可以为不同周期数的激光驱动的尾场加速研究提供分析指导，帮助判断主导效应以选择合适的理论分析工具，而且该方法计算量小，计算快捷，可以实时提供判断结果。
[0029]除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本专利技术还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本专利技术作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于脉冲周期数主导激光尾波场电子加速的分析方法，其特征在于，包括：通过固定初始激光归一化强度、脉冲宽度和焦斑半径以保证初始有质动力大小相同，改变激光波长以得到不同周期数激光脉冲在等离子体中激发出电子密度空泡结构进而形成能对电子进行加速的尾波场；当开启一次激光尾场加速模拟时，线极化激光在等离子体中激发出空泡结构后，对空泡结构的演化进行多次快照，得到不同时刻的空泡结构图；对不同时刻的空泡结构图进行统计分析，得到空泡结构质心横向坐标的变化Δz
c
；当空泡结构质心横向坐标的变化Δz
c
≥0.01λ
p0
时，则该时刻激光尾场加速过程中的主导效应为激光载波效应；其中，λ
p0
为初始时刻等离子体波长；反之，则该时刻激光尾场加速过程中的主导效应为有质动力效应。2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲周期数主导激光尾波场电子加速的分析方法，其特征在于，对于沿x方向传输，线极化方向为z方向的激光所驱动的空泡将在极化方向上受到激光载波演化影响而产生显著横向的振荡，而在垂直极化方向的y方向不受激光载波演化影响，空泡不会在y方向产生显著振荡；选取空泡横向振荡明显的x
‑
z切面统计空泡结构质心的横向坐标变化来判断空泡振荡的幅度，空泡结构质心的横向坐标变化表示为：其中n
e
(x,0,z,t)表示在t时刻坐标为(x,0,z)处的电子密度，n0表示背景电子密度，空泡的结构是高密度的电子鞘层结构，所以统计低于背景电子密度n0的情况是无效的，T
CEP
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晓虎，刘松，张国博，马燕云，邹德滨，赵子甲，苏凌宇，侯志勇，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：