利用高能電子流影響自導透明進行激光脈沖整形研究.pdf

1、微介觀結構的在線診斷一直是材料動態(tài)響應研究的重要挑戰(zhàn)。飛速發(fā)展的強激光技術為實現這方面的研究提供了可行的技術途徑。在這種技術中，利用激光驅動的X射線可以探測材料微介觀結構的超快過程?？梢岳肵射線散射技術去穿透稠密或壓縮物質，對物質的壓縮狀態(tài)，如基礎熱力學特征量相變、新物態(tài)等進行測量;也可以利用X射線衍射技術去探測材料的晶體結構;還可以直接用X射線對激光壓縮等離子體形成的沖擊前沿進行密度成像?？傊?，激光驅動的X射線，可以使我們對材料在動

2、態(tài)響應過程中發(fā)生的微介觀結構改變進行更好的理解，對研究材料的物態(tài)方程、晶體結構等都提供了一種新的實驗手段。
　　對基于強激光技術的材料動態(tài)微介觀診斷研究，超短強激光脈沖與過密等離子體相互作用提供了一種新的超快X射線源。相對于同步輻射光源的巨大投資與大體積、相對長的脈沖結構和X射線的多色性以及相對于自由電子X射線激光器的造價昂貴而言，超短強激光脈沖與過密等離子體相互作用提供的超快X射線源具有體積小、成本低、亞皮秒脈沖持續(xù)時間、單色性

3、好等特點，因此在實驗室和醫(yī)學診斷中具有廣泛的應用。
　　對材料進行動態(tài)超快診斷需要足夠多的X射線光子量，而這正是目前激光驅動X射線源面臨的難題，如Kα線X射線轉化效率目前只有10-5。提高X射線產額的方式有很多種，但從原理上說，基本可以分為優(yōu)化激光脈沖和優(yōu)化靶結構。對于優(yōu)化靶結構，可以采用錐形靶等特殊幾何構型，減小靶對X射線的吸收，并且可以提高X射線的聚焦度;也可以對靶表面進行改性，如納米須靶，提高靶對激光的吸收率，增加超熱電子數

4、目，從而提高X射線產額。
　　優(yōu)化激光脈沖，則是另一種重要的提高X射線輻射產額的方法。激光與物質相互作用過程中，激光預脈沖將物質表面電離，激光預脈沖和主脈沖上升前沿對預先電離的等離子體的密度構型起著決定性作用，而等離子體的密度構型是決定激光-等離子體相互作用機制的關鍵因素，如影響吸收機制等。因此，要提高激光驅動超快X射線源的轉換效率，就必須實現對等離子體的控制，即控制激光預脈沖和上升前沿。
　　過密等離子體的自導透明特性，為

5、控制激光的預脈沖和上升前沿提供了一種新的技術途徑。我們利用粒子模擬程序研究發(fā)現，高能電子回流能夠影響自導透明。我們將高能電子回流的影響擴展至高能電子流，利用高能電子流對過密等離子體自導透明的影響來對激光脈沖進行整形，實現對激光預脈沖和上升前沿的控制，從而能夠達到準確控制等離子體密度梯度，提高超熱電子的吸能效率，進而提高激光驅動超快X射線源轉換效率的目的。
　　本文首先介紹了激光驅動超快X射線源的產生機理及優(yōu)化X射線源的方法，并提出

6、利用過密等離子體自導透明來控制激光脈沖形狀進而提高X射線產額。我們因此接著介紹了過密等離子體的自導透明，然后研究了高能電子回流對自導透明的影響，并將高能電子回流的影響擴展至高能電子流，利用高能電子流對等離子體自導透明的影響來對激光脈沖進行整形，從而實現了對激光預脈沖和上升前沿的控制。本文的主要研究結果和創(chuàng)新點如下:
　　(1)首次發(fā)現了高能電子回流可以影響過密等離子體自導透明，使低于自導透明閾值強度的激光能夠穿透進過密等離子體薄靶

7、。分析認為，激光壓縮表面等離子體形成的電子密度峰阻止了激光向等離子體中的穿透，而高能電子回流到達等離子體靶前表面時產生的庫倫排斥力使電子密度峰處的電子膨脹，峰值密度下降，從而使激光開始穿透進初始不透明的等離子體。
　　(2)研究發(fā)現高能電子流同樣可以影響過密等離子體自導透明，其對自導透明的物理影響機制跟高能電子回流的一致。
　　(3)利用上述高能電子流及其回流對過密等離子體自導透明的影響，通過控制高能電子流導致激光穿透的時間