双束对射激光与超薄靶相互作用动力学的分析方法

1.本技术涉及双束激光对射技术领域，特别是涉及一种双束对射激光与超薄靶相互作用动力学的分析方法。


背景技术：

2.超强激光与固体靶相互作用产生高能离子已经取得了广泛的应用，例如在“快点火”方案中可以通过高能质子束驱动产生高温高密度的物质状态；在医学领域，高能离子可用于肿瘤治疗和生产放射性医用同位素。在过去的二十多年间，双束对射激光与固体靶相互作用引起了科学家们的广泛关注，一系列针对这种机制的理论研究也随之展开。
3.但在现有的理论研究基础上，还没有系统的方法以实验的方式分析双束激光对射过程中的物理现象。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够得到离子加速与激光参数之间定标关系的双束对射激光与超薄靶相互作用动力学的分析方法。
5.一种双束对射激光与超薄靶相互作用动力学的分析方法，所述方法包括：
6.构建双束对射相对论激光与超薄靶相互作用的物理模型，并设置所述物理模型的模拟参量；所述物理模型的模拟空间为一长方体的模拟盒子，所述模拟盒子中央设置有超薄靶，两束圆极化激光从所述模拟盒子的左右边界同时垂直入射；所述模拟参量包括所述模拟盒子的尺寸信息、所述超薄靶的尺寸信息和成分信息，以及所述模拟空间的空间分辨率信息；
7.以两束激光的初始相位差为第一变量，所述圆极化激光电场矢量旋转方向为第二变量，构建多组激光设置参量；
8.在每组激光设置参量下，通过粒子模拟法分析一维和二维情况下所述超薄靶的压缩情况和最大氘离子密度信息，并进一步得到最优的离子加速参数设置信息。
9.在其中一个实施例中，还包括：设置左侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋、右侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为左旋，两束激光的初始相位差分别为0，π/2，π，3π/2，得到四组激光设置参量；
10.设置左侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋、右侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋，两束激光的初始相位差分别为0，π/2，π，3π/2，得到另四组激光设置参量。
11.在其中一个实施例中，在每组激光设置参量下，通过一维粒子模拟法，分别分析右旋与左旋圆极化激光入射、双束右旋圆极化激光入射情况下，不同初始相位差条件下电场归一化振幅沿轴向的分布信息，所述超薄靶中电子数密度和氘离子数密度的轴向分布信息；
12.在每组激光设置参量下，通过二维粒子模拟法，分别分析右旋与左旋圆极化激光
入射、双束右旋圆极化激光入射情况下，不同初始相位差条件下的激光强度空间分布信息、所述超薄靶中电子和氘离子的空间分布信息。
13.在其中一个实施例中，还包括：对氘离子密度的最大值进行扫描，得到不同初始相位差和激光电场矢量旋转方向参数条件下氘离子密度最大值分布信息。
14.在其中一个实施例中，还包括：汇总不同初始相位差和激光电场矢量旋转方向参数条件下的电子能谱和氘离子能谱信息，分别得到电子能谱图和氘离子能谱图；
15.对氘离子密度的最大值进行扫描，得到不同初始相位差和激光电场矢量旋转方向参数条件下氘离子密度最大值分布信息。
16.在其中一个实施例中，还包括：根据所述电子能谱图、所述氘离子能谱图和所述氘离子密度最大值分布信息，确定最优的离子加速参数设置信息。
17.在其中一个实施例中，还包括：所述超薄靶厚度为0.1μm。
18.上述双束对射激光与超薄靶相互作用动力学的分析方法，基于构建的双束对射相对论激光与超薄靶相互作用的物理模型，利用粒子模拟法，通过改变两束圆极化激光的初始相对相位差和圆极化激光电场矢量旋转方向，分析一维和二维情况下超薄靶的压缩情况和最大氘离子密度信息，得到了在不同参数下对射激光与超薄靶相互作用产生的离子加速效果信息，进而确定最优的离子加速方案。本发明通过两束对射相对论激光与超薄靶的相互作用实现，对两束激光的极化方向与旋转方向进行了标定，展示了离子加速与激光参数之间的定标关系，能够为双束对射激光与超薄靶的动力学研究提供参考。
附图说明
19.图1为一个实施例中双束对射激光与超薄靶相互作用动力学的分析方法的流程示意图；
20.图2为一个实施例中双束对射激光示意图；
21.图3为一个实施例中不同电场矢量旋转方向和初始相对相位差的圆极化双束激光从左右侧对射的示意图；
22.图4为一个实施例中一维条件下，不同相位条件下，氘离子密度最大值分布；
23.图5为一个实施例中二维条件下，(rcp+lcp)不同φ
51
条件下，t＝35t0时激光强度的空间分布，其中(a)-(d)是激光电场强度ey的空间分布，(e)-(h)是激光归一化振幅的空间分布；
24.图6为一个实施例中二维条件下，(rcp+lcp)不同φ
51
条件下，t＝29t0时固体靶中电子和离子的空间分布，其中(a)-(d)代表电子数密度的空间分布，(e)-(h)代表氘离子数密度的空间分布；
25.图7为一个实施例中二维条件下，(rcp+rcp)不同φ
51
条件下，t＝35t0时激光强度的空间分布，其中(a)-(d)为激光电场强度ey，(e)-(h)为激光归一化振幅的空间分布；
26.图8为一个实施例中二维条件下，(rcp+rcp)不同φ
51
条件下，t＝29t0时刻的电子和氘离子数密度的空间分布，其中(a)-(d)为电子密度的空间分布，(e)-(h)为氘离子数密度的空间分布；
27.图9为一个实施例中二维条件下，不同φ
51
条件下，t＝50t0时刻的能谱分析，其中(a)、(b)为电子能谱，(c)、(d)为氘离子能谱；
28.图10为一个实施例中二维条件下，不同φ
51
条件下，氘离子密度最大值分布。
具体实施方式
29.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
30.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种双束对射激光与超薄靶相互作用动力学的分析方法，包括以下步骤：
31.步骤102，构建双束对射相对论激光与超薄靶相互作用的物理模型，并设置物理模型的模拟参量。
32.具体地，如图2所示，两束激光从模拟区域的左右边界同时垂直入射，设置模拟盒子的长度为36μm，高度为24μm。在一维模拟环境中，在x方向使用的空间分辨率为0.0002μm，而在二维模拟阶段，在x方向和y方向的空间分辨率均为0.002μm，其他参量均保持一致。
33.氘固体靶位于模拟盒子的中央，固体靶前表面距离模拟空间区域的左边界d1＝17.95μm，超薄靶厚度d＝0.1μm，高度为h＝24μm，和模拟盒子的高度一致。固体靶由氘离子和电子组成，氘离子和电子的数密度均为50nc，其中nc＝1.1
×
10
27
m-3
是激光波长λ0＝1μm对应的等离子体临界密度。网格分辨率，每个网格放置50个氘离子和50个电子。对于圆极化激光，两束激光的强度均为其中归一化振幅e0是激光最大电场幅值，e和me分别是电子电荷和质量，c是激光在真空中的光速。激光焦斑半径σ
l
＝6μm，脉冲宽度τ
l
＝10t0，其中t0＝3.3fs是激光周期。
34.步骤104，以两束激光的初始相位差为第一变量，圆极化激光电场矢量旋转方向为第二变量，构建多组激光设置参量。
35.具体地，考虑两束激光的初始相对相位差(irpd，即变量φ
51
)以及圆极化激光电场矢量旋转方向对相互作用过程的影响，其中电场矢量旋转方向包括左旋(lcp)和右旋(rcp)。针对圆极化激光进行两组分类，如表1所示。
36.左侧入射激光右侧入射激光φ
51
φ
51
φ
51
φ
51
rcplcp0π/2
π
3π/2rcprcp0π/2
π
3π/2
37.表1圆极化激光变量分类
38.图3给出不同电场矢量旋转方向和初始相对相位差的圆极化双束激光从左右侧对射的示意图，两个坐标轴代表两束激光的出发位置坐标，即对应模拟盒子的两个边界界面。
39.为了与epoch程序的坐标系规则统一，规定激光传播方向为x轴，竖直向上的方向为y轴，z轴通过右手螺旋定则来确定。对于变量初始相对相位差φ
51
，固定左侧入射激光的初始相位角为0度，即初始时刻的电场矢量方向和z轴正方向一致，通过改变右侧入射激光初始电矢量方向，使得两束激光电矢量方向存在夹角φ
51
。需要说明的是，对于rcp+lcp情形，φ
51
在激光传播过程中保持固定值不变，但对于rcp+rcp情形，φ
51
会在传播过程周期性变化。
40.步骤106，在每组激光设置参量下，通过粒子模拟法分析一维和二维情况下超薄靶的压缩情况和最大氘离子密度信息，并进一步得到最优的离子加速参数设置信息。
41.在一维条件下，分别分析右旋与左旋圆极化激光入射情况(rcp+lcp)和双束右旋圆极化激光入射情况(rcp+rcp)情况下，不同φ
51
条件下，某一时刻的电场归一化振幅a0沿轴向的分布，以及不同φ
51
条件下，某一时的电子数密度和氘离子数密度的轴向分布，通过改变初始相对相位差φ
51
，可以实现对离子压缩状态的操纵以及固体靶的移动。
42.进一步进行离子数密度分析，如图4给出了不同参量条件下氘离子的最大压缩密度。从图中可以看到，φ
51
＝π时氘离子的最大密度远大于其他初始相对相位差情况，其余的氘离子数密度基本都稳定在200nc附近；同时，rcp+rcp条件对于变量φ
51
并不敏感，基本都稳定在200nc周围。
43.本发明在一维粒子模拟之后还进行了二维粒子模拟，对两束旋转方向不同的圆极化激光与固体靶相互作用的物理现象进行观察。首先对电场强度ey和归一化振幅a0的空间分布，选择时刻为t＝35t0的反射激光进行分析。
44.右旋与左旋圆极化激光对射情况(rcp+lcp)分析：
45.如图5所示为右旋与左旋圆极化激光对射情况(rcp+lcp)下不同φ
51
条件下，t＝35t0时激光强度的空间分布，其中(a)-(d)是激光电场强度ey的空间分布，(e)-(h)是激光归一化振幅的空间分布。通过图5可以发现在二维模拟的现象与一维模拟基本一致，除了在φ
51
＝0时出现了不同的现象以外，其他情况均与理论结果相符：在φ
51
＝0.5π和φ
51
＝1.5π时靶两侧的反射光大小并不相同，可以将离子层视为凸透镜来实现反射光场的聚集(结合图6)，这与一维模拟的结果一致；当φ
51
＝0时，发生了横向不稳定性，光场与一维模拟出现了较大的差异，而对于φ
51
＝π的图像，可以发现此时的反射光在靶的左侧是左右对称的，这说明在相互作用阶段横向的不稳定性并没有显著发生，稳态的解析解在二维过程中依然存在。
46.对于薄靶的压缩情况，选取时刻t＝29t0进行分析。图6(a)-(d)和6(e)-(h)是该时刻靶电子数密度与氘离子数密度的空间分布。当φ
51
＝0.5π和φ
51
＝1.5π时，靶在两束对射激光的作用后出现了左右移动，这是由于激光对固体靶的净光压不为零，总体的作用效果使固体靶出现了移动；对于φ
51
＝0时的情况则是靶压缩效果最好的情况，这也是不稳定性发展更为剧烈的原因；而当φ
51
＝π时，由于稳态解的存在，激光的光压与静电压相平衡，这导致不稳定性发展得并不剧烈。
47.双束右旋圆极化激光对射情况(rcp+rcp)分析：
48.对两束电矢量旋转方向相反的圆极化激光，通过观察二维模拟现象，预测最佳的离子加速方案。在四种不同初始相对相位差的情形下，激光的反射电场强度ey表现出了明显的不同，如图7所示。具体表现为当φ
51
＝0.5π和φ
51
＝1.5π时固体靶两侧的反射激光呈现出巨大的差异性，这是透射与反射共同作用下的结果；对于φ
51
＝0和φ
51
＝π时的情况，固体靶两侧的电场强度是对称分布的。对于归一化强度在不同φ
51
下的分布基本都是对称的，因此需要对固体靶进行进一步的诊断，来获取最佳的离子加速效果。
49.通过对电子空间分布图8(a)-(d)和离子空间分布图8(e)-(h)进行分析，发现这种情形下的固体靶没有出现左右移动，这与rcp+lcp出现了明显的区别。在该时刻下的电子数密度与离子数密度大小均随着φ
51
的不同而显得不一样，并且其空间分布也存在显著的差
距，但是通过扫描周围时刻的离子数密度图像，发现这些图像只是出现的时刻不同，即出现的先后顺序为φ
51
＝π、φ
51
＝0.5π(φ
51
＝1.5π)、φ
51
＝0，也就是说φ
51
既不会影响固体靶的移动，也不会显著影响靶的压缩效果。同时，可以发现激光焦斑半径范围内出现许多条状的细丝，这是因为这种情况下横向不稳定性的发展相较于rcp+lcp更为剧烈，因此不存在稳态解是合理的。
50.能谱分析：
51.将rcp+rcp与rcp+lcp情形的能谱结果进行汇总，分别得到电子能谱图和氘离子能谱图；从图9(a)和(c)中可以发现，在两种情形下均为φ
51
＝0时的氘离子能量最大。同时，rcp+lcp条件下φ
51
＝π时的离子截止能量是最小的，这是因为在压缩过程中固体靶是相对固定的，这导致离子能量无法提升到很高的水平。在这里也对电子能谱进行了诊断，如图9(b)和(d)所示。可以从图上发现，rcp+lcp条件下φ
51
＝0时的电子截止能量最大，而φ
51
＝π时则是最小的，这与离子能谱的分布相一致；而当rcp+lcp条件对应的电子能谱则没有明显的区分，电子的截止能量对初始相对相位差并不敏感。
52.可以得出结论，当φ
51
＝0时，氘离子的截止能量是最高的，约为34.8mev，对应最好的离子加速效果。结合图8(a)-(h)，可预测这组物理参数将是产生中子的最佳方案。同时，对于不同的左右旋状态，可以通过调整两束激光的左右旋参量来操控固体靶的移动与离子的加速。
53.最优离子加速方案：
54.通过能谱分析，发现φ
51
＝0时对应最优的加速方案。进一步对氘离子数密度的最大值进行扫描，得到不同参数条件下的对应值。图10给出了氘离子在压缩过程中的最大密度值。对于rcp+lcp情形，φ
51
＝0的氘离子的压缩密度均为最大的，这与之前的初步判断一致。而在rcp+rcp条件下，发现离子数密度与φ
51
之间的关系并不显著，其中φ
51
＝0时的密度达到了151.28nc，是八种情况中最大的离子数密度。
55.结合能谱分析，可以得出结论：对于rcp+lcp且φ
51
＝0时，氘离子截止能量可达到34.8mev，最大压缩密度为147.13nc，离子层压缩和离子加速效果最佳；而对于rcp+rcp且φ
51
＝0时，氘离子截止能量为30.1mev，最大压缩密度为151.28nc，也存在最佳离子层压缩和离子加速。
56.上述双束对射激光与超薄靶相互作用动力学的分析方法中，基于构建的双束对射相对论激光与超薄靶相互作用的物理模型，利用粒子模拟法，通过改变两束圆极化激光的初始相对相位差和圆极化激光电场矢量旋转方向，分析一维和二维情况下超薄靶的压缩情况和最大氘离子密度信息，得到了在不同参数下对射激光与超薄靶相互作用产生的离子加速效果信息，进而确定最优的离子加速方案。本发明通过两束对射相对论激光与超薄靶的相互作用实现，对两束激光的极化方向与旋转方向进行了标定，展示了离子加速与激光参数之间的定标关系，能够为双束对射激光与超薄靶的动力学研究提供参考。
57.应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，
而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
58.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
59.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。