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

1.本发明涉及新型粒子加速技术和空间辐射环境技术领域，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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.为解决上述现有技术中存在的问题，本发明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。
6.为实现上述目的，本发明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：
7.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；
8.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；
9.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δzc；
10.当空泡结构质心横向坐标的变化δzc≥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；
11.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。
12.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ne(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]
本发明具有以下有益效果：
[0025]
本发明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。本发明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]
本发明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]
本发明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，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0030]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0031]
图1是本发明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的流程图；
[0032]
图2是本发明方法采用的实验装置示意图；
[0033]
其中，1为飞秒激光系统；2为光学系统；3为超音速气体喷嘴；4为气体靶；5为聚焦磁场；6为加速电子束；7为辐射效应测试系统；8为高速相机系统。
具体实施方式
[0034]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
[0035]
本发明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，在固定的脉冲宽度下，脉冲周期数可以通过改变激光波长来控制。当固定初始激光归一化强度和脉冲宽度，则控制了初始纵向有质动力大小相同，改变激光波长可以研究不同周期数下有质动力效应和激光载波效应之间占据主导地位的变化。本发明通过三维粒子模拟实验，探究了不同周期数激光入射等离子体形成尾波场加速电子的过程，结合理论分析发现对于多周期的情况是有质动力效应主导，对于少周期情况是激光载波效应主导，而中等周期数情况则有一个由有质动力效应主导过渡到载波效应主导的过程。通过对于尾场加速过程中对于空泡结构多次快照，发现当空泡结构在横向上不断振荡，结合理论分析得到一个以空泡质心位置变化判断主导效应的判据，当空泡质心位置变化δzc≥0.01λ
p0
(λ
p0
为初始时刻等离子体波长)时载波效应主导，反之有质动力效应主导。在实际实验中，对于空泡结构的多次快照可以通过进一步发展的高速相机获得。
[0036]
如图1所示，本发明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，具体包括以下步骤：
[0037]
步骤1、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的情况下，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。
[0038]
因为不同脉冲周期数下电子密度空泡受到的主导效应不同，多周期情况是有质动力效应主导，少周期情况是激光载波效应主导，本发明致力于使用合理判据分析不同脉冲周期数下有质动力和激光载波之间占据主导地位的变化。
[0039]
而不同效应主导下的空泡结构变化最主要体现在质心横向振荡幅度上，有质动力主导下空泡稳定传输，横向振荡轻微；激光载波效应主导下空泡会随着载波周期性变化而同频的横向振荡，振荡幅度较大并导致空泡更早的破裂。基于以上现象考虑，本发明提出使用空泡质心的横向坐标变化作为判据来判断空泡受何种效应主导，该方法尤其适用于线极化激光。
[0040]
步骤2、当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。
[0041]
步骤3、对不同时刻的空泡结构图进行统计分析，由于线极化激光的载波效应主要体现在极化方向上，故选取极化方向和传输运动方向所构成的切面来分析空泡结构的变化，得到空泡结构质心横向坐标的变化δzc。
[0042]
步骤4、当空泡结构质心横向坐标的变化δzc≥0.01λ
p0
时，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，该波长同初始时刻空泡的纵向长度相当，也可根据初始时激光归一化强度和等离子体密度条件使用公式计算得到；
[0043]
反之，该时刻激光尾场加速过程中的主导效应为有质动力效应。
[0044]
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振幅，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。故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：
[0045][0046]
其中ne(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。
[0047]
本发明中激光尾场加速实验具体为：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。
[0048]
本发明中所述空泡结构的多次快照实验中可以通过高速相机获得，在数值模拟实验里可以快速导出。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。
[0049]
图2是本发明方法采用的实验装置示意图。该装置包括飞秒激光系统1、光学系统2、超音速气体喷嘴3、气体靶4、聚焦磁场5、辐射效应测试系统7和高速相机系统8；所述辐射效应测试系统7包括测试靶和与测试靶电连接的计算机。
[0050]
所述飞秒激光系统1用于提供不同波长、强度和脉冲宽度的飞秒激光，所述光学系统2用于调制激光，控制激光传输和聚焦等；所述超音速气体喷嘴3用于适时喷出气体形成气体靶4；所述气体靶4为带有密度上升沿梯度的等离子体气体靶，在激光入射后将形成空泡结构对注入电子加速；所述聚焦磁场5用于对尾场加速出来的电子束进行聚焦；所述辐射效应测试系统7用于分析出射电子束的能谱及发散度等；所述高速相机系统8用于提供空泡演化的快照。
[0051]
飞秒激光系统1产生一束飞秒激光，所述飞秒激光通过真空室内设置的光学系统2调制飞秒激光的传输和聚焦，调制后的飞秒激光射入气体靶4内将气体靶中的气体分子电离成等离子体，激发等离子体波形成电子空泡结构，空泡致密壳层电子回流到空泡尾部进而注入到空泡内部，形成加速电子束6，所述电子束经过聚焦磁场5后作用在辐射效应测试系统7的测试靶上。所述电子束与测试靶作用，获得空间电子束与物质相互作用的实验结果。高速相机系统8对空泡结构的演化进行多次快照，可以得到不同时刻的空泡结构图，并在数值模拟实验里可以快速导出。
[0052]
本发明提供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，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。该发明方法可以帮助判断不同周期数激光驱动的尾场加速在某一时刻所受的主导效应，以指导选择合适的理论分析工具，得到更清晰的物理图像。
[0053]
以下结合具体实施方式，对本发明进一步解释和说明。
[0054]
本发明方法的提出基于使用3维粒子模拟软件epoch3d对于不同激光周期数下激光载波效应与有质动力效应在空泡结构演化上的竞争关系的研究。为了控制变量，可以设置相同的氢等离子体靶，密度n0＝5
×
10
19
cm-3
，上升沿长度20μm，同时设置相同的初始激光归一化强度a0＝4以保证初始有质动力相同，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，激光场强度表达式为：
[0055][0056]
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。
[0057]
基于目前激光器激光波长一般为0.8μm，经过调制可以得到其倍频激光，故在脉冲宽度固定下通过设置不同的激光波长λ0＝0.4μm，0.8μm，1.2μm以改变激光脉冲的周期数，再分别入射相同的等离子体靶。模拟窗选取20μm
×
20μm
×
20μm以减少不必要的计算，网格划分为800
×
100
×
100，每个网格包含10个宏粒子，每个宏粒子表示5000个电子或离子，电子离子质量比为1/1836。
[0058]
通过对空泡结构的多次快照可以观察不同周期数激光在相同结构的等离子体中激发出的空泡结构情况，首先确定了周期数最多的λ0＝0.4μm情况有质动力占据主导，其空泡结构和加速电子束都是稳定且对称的，周期数最少的λ0＝1.2μm情况激光载波占据主导，伴随着激光传输过程激光载波在激光极化平面(x-z)上的不断变化，等离子体对激光脉冲的响应变得不对称，空泡和电子束在极化面上横向振荡严重，尾部新注入的粒子具有较大的横向动量。周期数适中的λ0＝0.8μm情况则先是有质动力主导，之后激光载波演化越发剧烈，空泡振荡逐渐严重，激光载波占据主导。分析发现，通过统计空泡结构质心的横向坐标变化来辨别出尾场加速过程是否由激光载波主导。空泡结构质心的横向坐标变化表示为：
[0059][0060]
其中ne(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。
[0061]
有质动力各向同性，在其主导下，不同切面空泡质心变化相同，震荡幅度低于百分之一尾波波长尺度。而激光载波主导情况下，在激光极化平面上的空泡质心不断的上下波动，波动的周期同载波变化的周期同步，结合数值模拟结果当δzc≥0.01λ
p0
(λ
p0
为初始时刻尾波的波长，本模拟实验为9.33μm)时可以知道质心位置的变化超出了有质动力主导下的尺度，此时激光载波主导，反之可以视为质心变化不明显，空泡平稳向前传输，可以使用有质动力近似进行分析。
[0062]
结合流程图，该分析方法可以表述为，当一束飞秒激光入射等离子体，驱动尾波场对电子进行加速，我们对其空泡的演化进行多次快照，得到不同时刻的空泡结构图。利用质心统计公式对空泡结构图统计分析，选取激光极化的切面，得到空泡质心的横向坐标变化，结合质心变化判断标准，判断该时刻激光尾场加速过程中的主导效应。
[0063]
该分析方法在数值模拟实验中很容易应用，数值模拟实验中获得激光尾场加速过程中空泡结构的快照非常快捷，利用本发明分析方法对其分析，几乎可以实时的判断该时刻尾场加速的主导效应。而在实际实验中，通过选择不同激光器，以及光学系统的设置可以得到不同周期数的飞秒激光脉冲，利用超音速气体喷嘴技术可以得到不同形状的气体靶，再通过预激光脉冲将其电离为等离子体。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，我们便可以分析该电子束的能谱和角发散度等信息。本发明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。
[0064]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
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
表示激光载波变化的周期。3.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，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。4.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，所述空泡结构的多次快照实验中通过高速相机获得，能在数值模拟实验里快速导出。5.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，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。6.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，所述等离子体为带有密度上升沿梯度的氢等离子体靶。7.根据权利要求6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，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。8.根据权利要求6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，初始激光设置为归一化强度a0＝4，入射激光均沿x轴传播，z轴极化，横向和纵向上均为高斯型脉冲，激光场强度表达式为：
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。

技术总结
本发明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
受保护的技术使用者：中国人民解放军国防科技大学
技术研发日：2023.03.29
技术公布日：2023/7/22