文|一道Talk

编辑|一道Talk

相对于传统射频加速器，超强激光驱动离子加速器可在微米尺度构建 TV/m级加速场，大幅缩短加速距离，有望发展成为“桌面加速器”。

由激光加速产生的离子源具有低发射度、短脉宽、高亮度等优点，可用于质子成像、癌症治疗、温稠密物质制备以及快点火惯性约束核聚变等领域。因此，高能量、高品质离子束流的产生与优化已成为国际上的研究热点。

近几年来，随着激光强度的大幅提高以及制靶技术的飞速发展，激光-等离子体相互作用研究进入了一个新阶段，这不仅给新的离子加速机制、新的辐射源等带来了机遇，同时也带来了新的挑战。

自1960年世界上首台红宝石激光器诞生以来，随着调 Q、锁模、啁啾放大等技术的发展，近半个世纪以来，红宝石激光器的聚焦能力有了长足的进步。

超短脉冲强激光的研究进展

激光是由受激发射放大而成的，它是一种具有高时空集中度的电磁波。它有方向性，单色性，相干性好，亮度高。

这些不同于常规光源的特性，使得它在与物质相互作用时，能够引发一系列的物理化学、生物学效应或过程，因此自它被发明以来就备受关注，从而推动了激光技术的快速发展，开辟了众多新的研究领域，并带来了应用创新。

三大激光技术的发明，使激光在更高，更强，更快的领域得到了飞跃式的发展。刚开始的时候，激光器的脉冲宽度为毫秒至微秒，其输出的激光脉冲具有非常微弱的聚焦强度。

自1961年赫尔沃斯发现调 Q技术以来，激光脉宽迅速缩短至10纳秒量级，峰值聚焦功率达到兆瓦级。随后，他又利用锁模技术，实现了皮秒脉宽，峰值功率密度达到了1013 W/cm2。在激光与物质相互作用过程中，非线性效应已经非常明显。

但是，由于激光场强度比外层电子受到的库仑场小，因此， Kato和其他学者利用微扰理论对此进行了解释。为进一步提高激光脉冲峰值功率，同时又不损伤光学元件， Mourou等人在80年代提出了线性调频脉冲放大（CPA）。

这种新工艺使激光器在输出功率上取得重大突破，目前已经达到拍瓦量级的稳定输出。另外，由于Ti-Blanchor晶体带宽最大、损伤阈值最高，激光器脉宽可压缩至10 fs，激光器向小型化、实用化方向发展。而激光与物质的交互作用则是另一种新的研究领域。

当激光强度超过1016 W/cm²后，光场强度已经超过了氢原子内部的库仑束缚场，此时几乎所有的物质都将被电离，形成一个新的物质态：等离子体。实际上，当激光强度超过1010 W/cm²后，金属表面将会被烧蚀，蒸发，部分离子化。

在较高的激光强度下，原子可能发生多光子电离和隧道电离。当激光强度达到1018 W/cm²时，电子在光场作用下的动能等于其静态能量，其横向振荡速度接近光速。此时，激光场中场磁场对电子的作用不再是可忽略的，电子将受到洛伦兹力的作用，激光-等离子体相互作用进入到相对论光学的阶段。

如果激光器的峰值强度持续增加，超过1024 W/cm²，则激光场在波长范围内对质子所作的功几乎与质子的静态能量相等，此时质子将在光场中以接近光速的速度振动。

这些高能质子在运动过程中可能发生碰撞，产生反中子、介子等粒子，这时，光与物质相互作用就进入了相对论性强的核物理领域。当激光强度继续增加时，需要考虑量子电动力学的影响。

等离子体与激光相互作用的基本原理

本项目主要研究相对论强度的超短脉冲与等离子体的相互作用。在激光脉冲作用过程中，由于激光脉冲的脉冲宽度非常短，离子无法及时响应光场。

因此，一般情况下，离子的运动效应被忽略，仅考虑作用后离子的运动。此外，与激光场对电子运动的影响相比，普通电子的不规则热运动可以忽略不计。

1、电浆的概念

等离子体是一种“准中性”气体，它是一种除了固态、液态和气态之外的第四种物质状态。它广泛存在于宇宙空间、自然电离层以及极光（闪电）中，并有一定的宏观尺度和时间尺度。在该系统中，电子的平均动能远远大于其在离子静电位场下的平均动能。

2、电子与激光的相互作用

激光作用于物质时，首先要考虑的是物质的离化。在超短超强激光作用下，原子中的电子能够突破与原子核间的库仑场，直接被激光场电离。就拿氢原子来说吧，按照玻尔模型，电子的波尔半径是：

其中， f为约化普朗克常数，其余均与上面所讨论的一致。氢原子核对外层电子产生的库伦电场强度：

如果用激光直接对氢原子进行电离，那么激光场的强度至少要和氢原子内部的库仑场或原子核和电的强度相等。粒子间的束缚能相等，则需要最小的激光场强为：

当激光聚焦强度超过 Ia时，几乎所有的靶材都将被电离。在相对论强度下，激光与物质的相互作用本质上就是激光与等离子体的相互作用。

要对这种复杂的非线性相互作用进行深入和深入的研究，就必须对电磁场中单个电子的运动规律有一个清晰的认识。它为研究强激光驱动下的离子加速和辐射源的产生提供了重要的理论依据。

3、电热

在激光与等离子体相互作用过程中，激光能量主要通过逆韧致吸收、非碰撞吸收等机制向等离子体传输。其中哪一种机制起主导作用，取决于等离子体密度分布，入射光强度，入射角，偏振等因素。

在低强度（<1015 W/cm²）条件下，主要采用逆韧致吸收机理。在激光场下，电子产生高频振荡，在一定频率下与离子碰撞，并通过碰撞阻尼作用向离子传递动能。等离子体区中，由于电子和离子间的库仑碰撞而产生的能量衰减，导致了激光能量的耗散。

随着激光强度的增加，逆韧致吸收效应逐渐减弱。此时电子的玻尔兹曼温度已经达到 MeV量级，电子-离子碰撞的频率比激光的频率低得多，各种非碰撞吸收机制开始占据主导地位。

激光能量被转换成等离子体波-朗缪尔波及离子声波，再被转换成无序运动的热能，进而提高等离子体的温度（主要是电子的温度）。

(一)谐振吸收剂

当p-偏振激光以θ角入射入具有一定密度梯度的等离子体中时，将产生共振等离子体振荡。如果入射激光产生的电场具有与靶表面垂直的成分（等离子体梯度变化方向），则在等离子体临界表面产生电子共振（激光频率可与电子共振频率相等），激发出电子等离子体波，使激光能量被强共振吸收。

在此基础上，电子等离子体波经过“波破”、“朗道衰减”等物理过程，把能量转移到本底电子上，使得本底电子变成高能超热电子。在此过程中，靠近临界密度面的激光电场能量最终转变为等离子体电子的热能。

(二) J× B型加热.

当入射激光强度达到相对论量级时，磁场分量就不能忽略了， J× B这一项等于电场分量，此时，电子在纵向受到非振荡项和振荡项两种分量的共同作用。

在此基础上，我们提出了一种新的高密等离子体结构，即在强激光作用下，电子在强激光作用下，沿强激光传播方向被加热并注入高密等离子体中。

J× B等离子体有质动力学加热机制通常在高激光强度，线性偏振，正入射，且等离子体密度与激光波长相近时表现出很好的应用前景。在圆偏振激光作用下， J× B热几乎为零，但这对离子辐照压力加速-稳态加速过程至关重要。

(三)真空加温法

当等离子体密度变得非常陡时（通常等离子体密度变得比激光波长小），当等离子体密度变得更高时，激光不能在临界表面激发电子等离子体产生共振吸收。此时，靠近真空-等离子体交界面处的电子容易被直接吸引到激光场中。

在第一个激光周期内，电子在电场的作用下被加速，并被引出靶材进入真空。接着，电场的方向发生了翻转，在第二个激光周期中，电子再次被逆向加速，进入到高密度等离子体中。

由于激光场在趋肤层内迅速衰减，而不能进入高密等离子体区，因此激光场对电子的反射力降低，使电子获得多余动能，加速为超热电子向靶板后方输运。

这是由 F·布鲁内尔于1987年提出的真空加热原理。真空加热机理对入射角有很强的依赖性，当入射角为常数时，该机理对p-偏振光的影响最大。特别地，在高能相对论激光与靶垂直入射时，超热电子的产生主要是由 J× B加热引起的。

在激光驱动离子束中的应用

离子束流因其独特的能量沉积截断特性而具有特殊的应用价值。当离子穿过一种物质时，它的大部分能量都会被储存在目标物质中的某个深度，也就是它们的射程末端。该深度与靶材的物性及初始离子能量有关，称为布拉格峰。

由于离子的这种性质，它的应用越来越受到人们的重视。此外，近20年来，利用激光驱动产生的离子束具有空间光源小，层流强度高，脉宽短，亮度高等优点，具有时空分辨能力。

因此，相对于x光、电子学等，离子束在单发分幅成像、肿瘤治疗等方面具有更大的优势，具有更高的研究应用价值。

1、质子束照相术

由 TNSA机制产生的质子不仅具有发射度低、高流动、脉冲宽度短等优点，而且具有能谱宽广、空间光强分布均匀、发散角适中等优点，尤其适用于成像领域。它不仅具有单发分幅成像的能力，还能实现对目标区域的大范围成像。

传统 RF加速器产生的质子束一般仅用于探测目标物，主要用于探测目标物的密度变化、定位目标物内部缺陷等。此外，激光质子束还具有时间分辨（1-2ps）、空间分辨（<10µ m）等优点。

目前，质子照相技术已经成功地用于探测 TNSA机制中的鞘层电场分布以及在固体靶背面形成过程中的膨胀演化。一束激光脉冲（CPA1）与待测靶作用，一质子源靶放置在距待测靶 l的位置，与待测靶相互垂直。

再用第二个激光脉冲（CPA2）对源靶进行辐照，产生质子束流，并以一定的发散角度横穿源靶与被测靶相互作用区。

在 TNSA加速过程中，产生了一个很强的鞘层电场，使质子在流经此区域时发生了偏转，进而改变了质子束的空间强度分布。用这种方法，就能得到鞘层场强的空间分布。

2、肿瘤学

离子在物质中特有的布拉格峰型能量沉积曲线，这使得其在肿瘤治疗中受到广泛关注。相比于x射线、电子等离子束，质子、碳离子等离子束辐照肿瘤细胞时，由于离子束具有一定的辐照范围，大部分离子都集中在布拉格峰附近，因此对周围正常组织的伤害最小。

根据肿瘤在体内的深度不同，可选用不同的初始离子能量。尤其是，该疗法可应用于人体内较深的肿瘤部位，而非以往因肿瘤部位较深而不能治疗的部位。目前医学对质子能量要求为60—250—250—60—100—100 MeV的准单能束流。

如果使用碳离子等重离子进行治疗，那么每一个核子所需能量必须在400 MeV左右。因此，对离子束的性能，尤其是对离子束的能量进行有效的调控是非常重要的。

从激光、等离子体以及两者之间的相互作用这三个方面，对激光技术的发展历程、等离子体的基本性质、激光与等离子体作用过程中的能量耦合和电子在激光场中的运动等方面进行了较为详细的阐述。

理解这些基础理论，理清其中的物理图像，对于深入研究等离子体中各种物质的产生机制，获得高质量的离子源具有重要意义。

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