利用高能電子流影響自導(dǎo)透明進(jìn)行激光脈沖整形研究.pdf

1、微介觀結(jié)構(gòu)的在線診斷一直是材料動(dòng)態(tài)響應(yīng)研究的重要挑戰(zhàn)。飛速發(fā)展的強(qiáng)激光技術(shù)為實(shí)現(xiàn)這方面的研究提供了可行的技術(shù)途徑。在這種技術(shù)中，利用激光驅(qū)動(dòng)的X射線可以探測材料微介觀結(jié)構(gòu)的超快過程?？梢岳肵射線散射技術(shù)去穿透稠密或壓縮物質(zhì)，對(duì)物質(zhì)的壓縮狀態(tài)，如基礎(chǔ)熱力學(xué)特征量相變、新物態(tài)等進(jìn)行測量;也可以利用X射線衍射技術(shù)去探測材料的晶體結(jié)構(gòu);還可以直接用X射線對(duì)激光壓縮等離子體形成的沖擊前沿進(jìn)行密度成像?？傊?，激光驅(qū)動(dòng)的X射線，可以使我們對(duì)材料在動(dòng)

2、態(tài)響應(yīng)過程中發(fā)生的微介觀結(jié)構(gòu)改變進(jìn)行更好的理解，對(duì)研究材料的物態(tài)方程、晶體結(jié)構(gòu)等都提供了一種新的實(shí)驗(yàn)手段。
　　對(duì)基于強(qiáng)激光技術(shù)的材料動(dòng)態(tài)微介觀診斷研究，超短強(qiáng)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(duì)于同步輻射光源的巨大投資與大體積、相對(duì)長的脈沖結(jié)構(gòu)和X射線的多色性以及相對(duì)于自由電子X射線激光器的造價(jià)昂貴而言，超短強(qiáng)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(shí)間、單色性

3、好等特點(diǎn)，因此在實(shí)驗(yàn)室和醫(yī)學(xué)診斷中具有廣泛的應(yīng)用。
　　對(duì)材料進(jìn)行動(dòng)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(qū)動(dòng)X射線源面臨的難題，如Kα線X射線轉(zhuǎn)化效率目前只有10-5。提高X射線產(chǎn)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(jié)構(gòu)。對(duì)于優(yōu)化靶結(jié)構(gòu)，可以采用錐形靶等特殊幾何構(gòu)型，減小靶對(duì)X射線的吸收，并且可以提高X射線的聚焦度;也可以對(duì)靶表面進(jìn)行改性，如納米須靶，提高靶對(duì)激光的吸收率，增加超熱電子數(shù)

4、目，從而提高X射線產(chǎn)額。
　　優(yōu)化激光脈沖，則是另一種重要的提高X射線輻射產(chǎn)額的方法。激光與物質(zhì)相互作用過程中，激光預(yù)脈沖將物質(zhì)表面電離，激光預(yù)脈沖和主脈沖上升前沿對(duì)預(yù)先電離的等離子體的密度構(gòu)型起著決定性作用，而等離子體的密度構(gòu)型是決定激光-等離子體相互作用機(jī)制的關(guān)鍵因素，如影響吸收機(jī)制等。因此，要提高激光驅(qū)動(dòng)超快X射線源的轉(zhuǎn)換效率，就必須實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體的控制，即控制激光預(yù)脈沖和上升前沿。
　　過密等離子體的自導(dǎo)透明特性，為

5、控制激光的預(yù)脈沖和上升前沿提供了一種新的技術(shù)途徑。我們利用粒子模擬程序研究發(fā)現(xiàn)，高能電子回流能夠影響自導(dǎo)透明。我們將高能電子回流的影響擴(kuò)展至高能電子流，利用高能電子流對(duì)過密等離子體自導(dǎo)透明的影響來對(duì)激光脈沖進(jìn)行整形，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光預(yù)脈沖和上升前沿的控制，從而能夠達(dá)到準(zhǔn)確控制等離子體密度梯度，提高超熱電子的吸能效率，進(jìn)而提高激光驅(qū)動(dòng)超快X射線源轉(zhuǎn)換效率的目的。
　　本文首先介紹了激光驅(qū)動(dòng)超快X射線源的產(chǎn)生機(jī)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(dǎo)透明來控制激光脈沖形狀進(jìn)而提高X射線產(chǎn)額。我們因此接著介紹了過密等離子體的自導(dǎo)透明，然后研究了高能電子回流對(duì)自導(dǎo)透明的影響，并將高能電子回流的影響擴(kuò)展至高能電子流，利用高能電子流對(duì)等離子體自導(dǎo)透明的影響來對(duì)激光脈沖進(jìn)行整形，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光預(yù)脈沖和上升前沿的控制。本文的主要研究結(jié)果和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　(1)首次發(fā)現(xiàn)了高能電子回流可以影響過密等離子體自導(dǎo)透明，使低于自導(dǎo)透明閾值強(qiáng)度的激光能夠穿透進(jìn)過密等離子體薄靶

7、。分析認(rèn)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(dá)等離子體靶前表面時(shí)產(chǎn)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(jìn)初始不透明的等離子體。
　　(2)研究發(fā)現(xiàn)高能電子流同樣可以影響過密等離子體自導(dǎo)透明，其對(duì)自導(dǎo)透明的物理影響機(jī)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(duì)過密等離子體自導(dǎo)透明的影響，通過控制高能電子流導(dǎo)致激光穿透的時(shí)間