CN101772254A - 一种相位调制的激光驱动粒子加速方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相位调制的激光驱动粒子加速方法，用激光在真空条件下加速带电粒子，所述的激光作用于带电粒子时，在激光的一个周期内分为使带电粒子加速的加速相和使带电粒子减速的减速相，其特征在于：在激光作用于带电粒子前对激光的相位进行调制，使得将与带电粒子相作用的激光的减速相发生相位改变，改变成加速相后再作用于带电粒子。本发明通过对强激光脉冲的相位调制，使得强激光可以对带电粒子在真空中直接高效加速，不需要与等离子体相互作用，结构简单，而且相位调制片制作方便，有利推广。

Description

一种相位调制的激光驱动粒子加速方法与装置

技术领域

本发明涉及粒子加速领域，尤其涉及一种激光驱动的粒子加速技术领域。

背景技术

强激光和等离子体作用产生高能电子或高能离子是新型粒子加速器和可控核聚变的关键问题之一。激光与等离子体相互作用机制复杂，参数控制困难，若能通过激光在真空条件下直接加速带电粒子，那么实现的方案就方便得多，加速器建造的成本将大大下降，然而在真空条件下实现电粒子的有效加速具有显著的困难，主要原因是带电粒子的速度小于激光的相速，根据Lawson-Woodward定理(见Eric Esarey，Phillip Sprangle andJonathan Krall，Physical Review E.52，5443-5453(1995))，在平面波中电子半周期的加速会因跟随其后的半周期的减速而抵消，因此带电粒子不能获得净能量。对于横向宽度有限的激光脉冲，由于存在强度梯度，加速和减速是不对称的，因此电子可以获得一定的能量，这个机制一般用有质动力来解释。但有质动力取决于光强的梯度，作用力比较小，一般不能获得较高的能量转换效率。相位调制技术在惯性约束聚变中已有应用，如为了减小瑞利-泰勒不稳定性以及其他参量不稳定性而采用的空间感生非相干技术(ISI)等。但是，对激光进行相位调制从而对带电粒子逐级捕获进行加速还没有应用。

发明内容

本发明提供一种激光对带电粒子在真空中直接高效加速的方法。

一种相位调制的激光驱动粒子加速方法，用激光在真空条件下加速带电粒子，所述的激光作用于带电粒子时，在激光的一个周期内分为使带电粒子加速的加速相和使带电粒子减速的减速相，在激光作用于带电粒子前对激光的相位进行调制，使得将与带电粒子相作用的激光的减速相发生相位改变，改变成加速相后再作用于带电粒子。

本发明通过对激光相位的调制，再运用调制后的激光对带电粒子逐级捕获而进行加速。这样带电粒子受到调制后的激光的作用时，调制后的激光的前半个周期和后半个周期不对称，使得加速相强于减速相，从而经过一个周期后有净能量获得，这样经过多个周期的作用达到调制后的激光对粒子的逐级捕获进行加速，使得粒子获得的能量与相同激光强度但没有经过相位调制的激光作用相比，有非常显著的提高。

对于激光的相位的调制可以采用现有技术手段，例如在激光的光路中加设相位调制片。相位调制片的材料可以采用现有技术，一般情况下要求相位调制片的材料的具有比较高的折射率、透射率高(即吸收系数好)的材料，也要求抗辐射损伤能力高，比如高纯度的玻璃等。

一束激光的沿其传播方向能量是波动的，激光作用于带电粒子时(即向带电粒子传递能量，使带电粒子加速)，在激光的一个周期内，有半个周期内使带电粒子加速，而另半个周期使带电粒子减速，使带电粒子加速的半个周期内所对应的激光的相位称为加速相，使带电粒子减速的半个周期内所对应的激光的相位称为减速相。

现有技术中通过激光来加速带电粒子时，激光的加速相与减速相均会与带电粒子相作用，加速相与带电粒子相作用时会有明显的加速效果，但当减速相与带电粒子相作用时反而会降低带电粒子的速度和能量。

本发明对激光的相位的调制的目的就是通过相位调制片改变激光的相位使得原本将与带电粒子相作用的激光的减速相发生相位改变，尽可能地改变成加速相，这样就会使与带电粒子相作用的更多是加速相。

本发明还提供一种对带电粒子在真空中直接高效加速的装置。

一种相位调制的激光驱动粒子加速装置，包括激光发生器、真空管、带电粒子源，所述的激光发生器与真空管之间还设有相位调制片，激光发生器产生的超强激光脉冲(激光强度大于10¹⁹W/cm²)通过相位调制片进行相位调制后，射入真空管中，然后与一定角度射入的带电粒子相互作用，实现对他们的有效加速。

所述的相位调制片根据激光脉冲的波长、强度、激光脉冲束腰宽度、激光脉冲持续的时间长度以及带电粒子的初始能量和带电粒子入射时与激光光轴间的夹角等做优化选择。以尽可能减少由于带电粒子的速度小于激光的相速而引起的与激光相位间的失匹配，达到延长激光场对带电粒子的加速时间，从而最终获得高的净能量。相位调制片的选择，激光的强度，带电粒子的初始能量和入射位置将会影响带电粒子最后获得的能量。

线偏振高斯激光进行调制后的脉冲的电场和磁场由下式表示：

E_x＝E₀Gcos(φ)， $E_z=-E_{0}G[\frac{x\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}{R\left(z\right)}+\frac{2x\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{\mathrm{kw}{\left(z\right)}^2}]$

B_y＝E_x/c， $B_z=-E_{0}G[\frac{y\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}{\mathrm{cR}\left(z\right)}+\frac{2y\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{\mathrm{\ωw}{\left(z\right)}^2}],$

其中x为激光偏振方向的坐标，z为激光传播方向的坐标，y为垂直于x和z的坐标，ω为激光的频率，

λ为激光波长，E₀为激光振幅，

为脉冲的横向宽度，R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为波前曲率半径，w₀为光腰处的横向宽度，

为瑞利长度

t为时间，τ₀为脉冲持续时间长度，φ＝ωt-kz+φ_z-φ_r+Δφ(z)，φ_z＝tan^-1(z/z_R)，φ_r＝kr²/(2R(z))，Δφ＝floor[rω₀/(Δrω(z))]sΔr为调制后激光的附加相位和场点的半径关系，其中floor函数以ω(z)Δr/rω₀为单元构成附加相位φ(r)的梯形分布。Δr为梯形单元的宽度，ω(z)/ω₀表示梯形单元随激光的传播而变化，S用于调节相邻阶梯间的相位差，Δφ为每单元引起的附加相位差。

带电粒子与调制后的激光的相互作用由相对论性的动力学方程

描述，其中

和q为电子的动量，速度和所带的电荷，粒子的能量由描述，其单位为mc²，其中m为粒子的静止质量。

由于本发明的关键是对激光脉冲的相位在垂直于激光光轴的平面内进行空间调制，整体的相位改变对加速效果影响不大，而且相位调制片引起的整数激光波长的长程改变并不引起激光相位的改变，因此给相位调制片的制作带来了方便，达到相同的加速效果可以有不同的相位调制片的选择。

选择合适材料或形状的相位调制片可以将激光的相位按需要进行调制，现有技术中一般是通过以上的关系式进行建模模拟，预先评价调制的效果，在根据模拟的结果实际制作相位调制片。

本发明通过对强激光脉冲的相位调制，使得强激光可以对带电粒子在真空中直接高效加速，结构简单，而且相位调制片制作方便，有利推广。

附图说明

附图1为本发明装置实施例结构示意图。

附图2为附图1的装置中相位调制片的结构示意图。

附图3为附图2中相位调制片的侧视示意图。

附图4本发明实施例未经相位调制时带电粒子获得的能量示意图；

附图5本发明实施例经过相位调制时带电粒子获得的能量示意图；

具体实施方式

如图1所示，为本发明装置实施例结构示意图，用具有圆对称的相位调制片2放置在垂直于激光光轴的平面上，圆心位于激光光轴，电子斜入射到激光经过的区域并与调制后的激光在真空管1中相互作用，强激光脉冲的电场将会对电子起加速作用。附图2为附图1的装置中相位调制片的结构示意图，其侧视示意图如图3所示。它是具有圆对称的阶梯式的波片，激光经过不同的阶梯圆环区域，将产生不同的附加相位，相邻阶梯区域的相位差固定。

线偏振高斯激光进行调制后的脉冲的电场和磁场由下式表示：

E_x＝E₀Gcos(φ)， $E_z=-E_{0}G[\frac{x\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}{R\left(z\right)}+\frac{2x\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{\mathrm{kw}{\left(z\right)}^2}]$

B_y＝E_x/c， $B_z=-E_{0}G[\frac{y\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}{\mathrm{cR}\left(z\right)}+\frac{2y\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{\mathrm{\ωw}{\left(z\right)}^2}],$

其中x为激光偏振方向的坐标，z为激光传播方向的坐标，y为垂直于x和z的坐标，ω为激光的频率，

λ为激光波长，E₀为激光振幅，

为脉冲的横向宽度，R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为波前曲率半径，w₀为光腰处的横向宽度，

为瑞利长度

t为时间，τ₀为脉冲持续时间长度，φ＝ωt-kz+φ_z-φ_r+Δφ(z)，φ_z＝tan^-1(z/z_R)，φ_r＝kr²/(2R(z))，Δφ＝floor[rω₀/(Δrω(z))]sΔr为调制后激光的附加相位和场点的半径关系，其中floor函数以ω(z)Δr/rω₀为单元构成附加相位φ(r)的梯形分布。Δr为梯形单元的宽度，ω(z)/ω₀表示梯形单元随激光的传播而变化，S用于调节相邻阶梯间的相位差，Δφ为每单元引起的附加相位差。

其中Δd＝S/n；图中可见Δd为相位调制片每个阶梯的高度，n为相位调制片的折射率，那么根据用于调节相邻阶梯间的光程差的S以及相位调制片选用不同材料时所对应的折射率，就可以确定相位调制片每个阶梯的高度。

图中可见Δr为梯形单元的宽度，即指相位调制片每个阶梯的宽度，计算出相位调制片每个阶梯的宽度和高度后，就可以制作出相位调制片。

带电粒子与调制后的激光的相互作用由相对论性的动力学方程描述，其中

和q为电子的动量，速度和所带的电荷，粒子的能量由

描述，其单位为mc²，其中m为粒子的静止质量。选取激光强度为I＝2×10¹⁹W/cm²，激光脉冲束腰宽度ω₀＝20λ，脉冲持续时间长度τ₀＝32λ/c；s＝0.06；电子初试速度为υ₀＝0.1c，粒子入射角度α＝21.8°，其中λ为激光波长，c表示光在真空中传播速度。通过数值模拟可以得到电子加速效果对比图如图4、图5，图4表示没有经过相位调制时电子获得的能量，图5表示相同条件下激光经过调制后电子获得的能量。横坐标表示电子在激光传播方向的位置，纵坐标表示以m_ec²为单位的粒子能量，其中m_e为电子的静止质量。从对比图中可以看出没有经过相位调制时电子间隔地与加速相和减速相作用，所以能量会忽高忽低不稳定，而就最终获得的能量来看也是比较低的，而图5中激光经过调制后电子主要会与激光的加速相作用，获得的能量也会稳步增加，电子的有效加速时间明显延长，最后电子净能量获得提高近90倍。

Claims (5)

1.一种相位调制的激光驱动粒子加速方法，用激光在真空条件下加速带电粒子，所述的激光作用于带电粒子时，在激光的一个周期内分为使带电粒子加速的加速相和使带电粒子减速的减速相，其特征在于：在激光作用于带电粒子前对激光的相位进行调制，使得将与带电粒子相作用的激光的减速相发生相位改变，改变成加速相后再作用于带电粒子。

2.如权利要求1所述的激光驱动粒子加速方法，其特征在于：所述的激光为线偏振高斯激光。

3.如权利要求2所述的激光驱动粒子加速装置，其特征在于：所述的线偏振高斯激光进行调制后的脉冲的电场和磁场由下式表示：

E_x＝E₀ G cos(φ)， $E_z=-E_{0}G[\frac{x\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}{R\left(z\right)}+\frac{2x\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{{\mathrm{kw}\left(z\right)}^2}]$

B_y＝E_x/c， $B_z=-E_{0}G[\frac{y\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}{\mathrm{cR}\left(z\right)}+\frac{2y\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{{\mathrm{\ωw}\left(z\right)}^2}],$

其中x为激光偏振方向的坐标，z为激光传播方向的坐标，y为垂直于x和z的坐标，ω为激光的频率， $k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}},$ λ为激光波长，E₀为激光振幅， $w\left(z\right)=w_0\sqrt{1+{(z/z_R)}^2}$ 为脉冲的横向宽度，R(z)＝z[1+(z_R/z)²]为波前曲率半径，w₀为光腰处的横向宽度， $z_R=k{w}_0^2/2$ 为瑞利长度 $G=\frac{w_0}{w\left(z\right)}\exp [-\frac{r^2}{w{\left(z\right)}^2}]\exp [-\frac{{(\mathrm{\ωt}-\mathrm{kz})}^2}{{\mathrm{\τ}}_0^2{\mathrm{\ω}}^2}],$ $r=\sqrt{x^2+y^2},$ t为时间，τ₀为脉冲持续时间长度，φ＝ωt-kz+φ_z-φ_r+Δφ(z)，φ_z＝tan^-1(z/z_R)，φ_r＝kr²/(2R(z))，Δφ＝floor[rw₀/(Δrw(z))]sΔr为调制后激光的附加相位和场点的半径关系，其中floor函数以w(z)Δr/rw₀为单元构成附加相位φ(r)的梯形分布，Δr为梯形单元的宽度，w(z)/w₀表示梯形单元随激光的传播而变化，s用于调节相邻阶梯间的相位差，Δφ为每单元引起的附加相位差。

带电粒子与调制后的激光的相互作用由相对论性的动力学方程 $\frac{d\stackrel{\→}{p}}{\mathrm{dt}}=q(\stackrel{\→}{E}+\stackrel{\→}{v}\×\stackrel{\→}{B})$ 描述，其中

和q为电子的动量，速度和所带的电荷，粒子的能量由 $\mathrm{\γ}=\sqrt{1-v^2/c^2}$ 描述，其单位为mc²，其中m为粒子的静止质量。

4.一种用于实施权利要求1～3任意权利要求所述的相位调制的激光驱动粒子加速方法的加速装置，包括激光发生器、真空管、带电粒子源，其特征在于：所述的激光发生器与真空管之间设有相位调制装置，激光发生器产生的激光通过相位调制装置进行相位调制后，射入真空管中，与带电粒子源产生的带电粒子在真空管中进行加速。

5.如权利要求4所述的激光驱动粒子加速装置，其特征在于：所述的相位调制装置为相位调制片。

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