CN212992669U - 超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，包括高斯激光发生器、真空靶室、微通道靶和光扇靶；微通道靶及光扇靶设置在所述的真空靶室内。所述高斯激光发生器产生高斯激光，通过真空靶室内激光聚焦装置将高斯激光聚焦并沿微通道靶轴线射入微通道靶；所述光扇靶垂直于微通道靶放置，其厚度随围绕靶轴心的角度的变化而减小或增加，整体呈阶梯状，每级阶梯的远离微通道靶的一面在同一平面上，靠近微通道靶的一面的位置随角度的变化而不同。该系统通过微通道靶及光扇靶的结合，能够在现有激光技术条件下进行实验研究，产生具有空间尺寸小、发散度低、能量高且携带有高轨道角动量的涡旋伽马光子束。

Description

超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统

技术领域

本实用新型属于激光与等离子体技术领域，具体涉及超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统。

背景技术

X/γ-射线自从被发现以来就被广泛地应用于很多领域，例如：原子核物理、实验室天体物理、等离子体物理、放射肿瘤学、金属工业等。基于激光等离子体相互作用的γ射线源不同于传统加速器辐射源，具有脉宽短、亮度高和尺寸小的优点，在基础科研、医疗、工业等领域具有重要应用前景。涡旋伽马射线是在实验室条件下探究并模拟如黑洞或中子星等大质量天体不可或缺的工具。同时，通过引入γ光子角动量这一新自由度，为激光等离子体研究提供了新视角，打开了人们认识及操控微观粒子的新方向，有望在皮米和亚飞秒的时空尺度内对微观粒子动力学进行操控，提升对微观粒子动力学的认识。

近年来，关于强激光与等离子体相互作用产生涡旋γ光子束吸引了国内外学者的广泛关注。基于激光等离子体产生涡旋γ光子束的方案先后被提出，2016年，Liu等人提出利用一束圆极化拉盖尔-高斯激光照射薄靶产生携带有轨道角动量的高能γ射线光子束。在相互作用过程中，驱动涡旋激光的自旋角动量和轨道角动量首先传递给电子束，然后通过量子辐射传递给γ射线光子。2018年，朱兴龙等人提出采用一束圆极化拉盖尔-高斯激光脉冲与锥-平面靶相互作用来产生高亮阿秒γ射线脉冲列。在此过程中，涡旋激光的角动量通过非线性康普顿散射传递给γ光子。同时，来自德国海德堡马普所的Chen等人也通过具有涡旋特性的拉盖尔-高斯激光与固体靶相互作用触发高能电子的非线性康普顿散射，获得了涡旋伽马射线。然而绝大多数方案采用激光强度都是在10²¹W/cm²及以上的超强涡旋光作为驱动源，基于目前激光技术的发展，涡旋激光的最高强度仅达到10²⁰W/cm²。因而，上述这些方案在实验实现方面还面临较大困难。此外，现有方法中最终产生涡旋伽马射线的角动量不容易控制和调节。

实用新型内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本实用新型提供一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统。

本实用新型所采用的技术方案是：

一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，所述系统包括高斯激光发生器、真空靶室、激光聚焦装置、微通道靶和光扇靶；所述激光聚焦装置、微通道靶和光扇靶均设置在所述真空靶室中；

所述高斯激光发生器用于产生圆极化的高斯激光，所述高斯激光通过真空靶室内的激光聚焦装置将高斯激光聚焦，聚焦后的高斯激光沿所述微通道靶的轴线射入所述微通道靶内，通过所述微通道靶射入光扇靶上；

所述微通道靶为圆筒结构；所述高斯激光的入射光与所述微通道靶的轴线以及所述光扇靶的中心在同一条水平线上，所述微通道靶的轴心与所述光扇靶垂直；

所述光扇靶整体呈阶梯状，所述光扇靶的厚度随围绕光扇靶轴心的角度变化而增大或者减小，每级阶梯远离微通道靶的一面在同一平面上，靠近微通道靶的一面的位置随角度的变化而不同。

进一步的，所述系统还包括用于将经过光扇靶产生的伽马光子束中夹杂的电子偏转并将多余的电子与伽马光子分离的偏转磁铁。

进一步的，所述光扇靶设有n级阶梯，相邻每级阶梯厚度之差为λ/2n，其中，λ为高斯激光的波长，n为正整数且n≥4。

进一步的，最小的阶梯厚度l满足

其中，n_e为电子密度，a为归一化的激光电场振幅。

进一步的，所述光扇靶分为8级阶梯，相邻每级阶梯厚度之差为λ/16，高斯激光的波长λ为1μm，最小的阶梯厚度为1μm。

进一步的，所述微通道靶及光扇靶均由碳离子、氢离子及电子构成，整体为电中性。

进一步的，所述微通道靶及光扇靶中电子的密度均为200n_c，n_c为等离子体临界密度，碳离子和氢离子的比例均为1:4。

进一步的，所述高斯激光的激光强度为10²¹～10²²W/cm²。

进一步的，所述微通道靶的内半径为2～4μm，所述微通道靶的厚度为0.8～1.2μm。

与现有方案相比，本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型提供了一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，该系统可通过高斯激光发生器产生圆极化的高斯激光，然后通过真空靶室内的激光聚焦装置将高斯激光聚焦并沿微通道靶轴心入射到微通道内，超强的振荡电场将电子从通道内拉出形成涡旋状的电子束，并在激光作用下得到加速；激光传输到微通道靶的尾端时照射在光扇靶上，反射形成一束具有轨道角动量的涡旋激光，并与微通道靶内的涡旋电子束碰撞产生涡旋γ光子束。该系统通过微通道靶及光扇靶的结合，能够在现有激光技术条件下进行实验研究，产生具有空间尺寸小、发散度低、能量高且携带有高轨道角动量的涡旋伽马光子束。

2、本实用新型提供的一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统中，所采用的光扇靶整体呈阶梯状，所述光扇靶的厚度随围绕光扇靶轴心的角度变化而增大或者减小，通过改变光扇靶的旋转方向，可以显著调节反射激光的角动量。同时通过光扇靶的阶梯阶数及旋转方向的改变，改变反射激光，进而可以对产生的γ光子的角动量进行调节，为调节γ光子的角动量提供了一种新的方案。

3、本实用新型提供的一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，激光到γ光子的角动量转化效率可以达到0.67％，大幅提升了采用激光固体靶相互作用产生γ光子束方案中的角动量转化效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本实用新型提供的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统的结构示意图；

图2是本实用新型中光扇靶侧视图，图中的色标给出了激光在正入射到光扇靶后被反射的相位变化；

其中，1、高斯激光发生器，2、真空靶室，3、激光聚焦装置，4、微通道靶，5、光扇靶，6、偏转磁铁。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1所示，本实用新型提供了一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，所述系统包括高斯激光发生器1、真空靶室2、激光聚焦装置3、微通道靶4和光扇靶5；所述激光聚焦装置3、微通道靶4和光扇靶5均设置在所述真空靶室2中；

所述高斯激光发生器1用于产生圆极化的高斯激光，所述高斯激光通过真空靶室2内的激光聚焦装置3将高斯激光聚焦，聚焦后的高斯激光沿所述微通道靶4轴线射入所述微通道靶4内，通过所述微通道靶4射入光扇靶5上；

所述微通道靶4为圆筒结构；所述高斯激光的入射光与所述微通道靶4轴线以及所述光扇靶5的中心在同一条水平线上，所述微通道靶4的轴心与所述光扇靶5垂直；

所述光扇靶5整体呈阶梯状，所述光扇靶5的厚度随围绕光扇靶5轴心的角度变化而增大或者减小，每级阶梯远离微通道靶4的一面在同一平面上，靠近微通道靶4的一面的位置随角度的变化而不同。

所述激光聚焦装置3为现有技术中常用的多个反射镜和离转抛物面镜组成，使得高斯激光发生器1产生的高斯激光聚焦后沿所述微通道靶4轴线射入所述微通道靶4内。

所述系统还包括偏转磁铁6，所述偏转磁铁6位于光扇靶5后伽马光子出射光的两侧，用于将经过光扇靶5产生的伽马光子束中夹杂的电子偏转，将多余的电子与伽马光子分离。

在一个具体实施例中，所述光扇靶5设有n级阶梯，相邻每级阶梯厚度之差为λ/2n，其中，λ为高斯激光的波长，n为正整数且n≥4。通过本系统产生的涡旋γ光子束的角动量随着所述光扇靶5的阶梯阶数和旋转方向的改变而变化。

最小的阶梯厚度l满足

其中，n_e为电子密度，

为归一化的激光电场振幅，e为电子电荷量，A₀为激光矢势的幅值，m_e为电子质量，c为真空中的光速。

在一个具体实施例中，所述微通道靶4及光扇靶5均由碳离子、氢离子及电子构成，整体为电中性。所述微通道靶4及光扇靶5中电子的密度均为200n_c，

为等离子体临界密度，e为电子电荷量，m_e为电子质量，ω_L为激光频率。碳离子和氢离子的比例均为1:4。所述微通道靶4的内半径为2～4μm，所述微通道靶4的厚度为0.8～1.2μm。所述高斯激光的激光强度为10²¹～10²²W/cm²。

工作原理：高斯激光发生器1产生一束圆极化高斯激光，通过真空靶室2内的激光聚焦装置3将高斯激光聚焦并沿微通道靶4轴心入射到微通道内，超强的横向激光振荡电场将通道壁的电子离化并从通道内壁拉出，稠密的电子束在圆极化激光的横向电场作用下形成涡旋结构。超强激光在通道形成的波导作用下会激发出一系列高阶模式，这些高阶模式相比基模的高斯激光具有较强的纵向电场，电子在纵向电场的作用下在纵向得到加速。在入射激光与电子相互作用中，激光将自身携带的自旋角动量传输给电子，转化为电子的轨道角动量。进而，激光在传输到通道的尾端时照射到光扇靶5上，由于光扇靶5的特殊结构使得反射激光在不同角度的相位发生改变，进而具有涡旋形的波前结构及角动量。反射激光与通道内的高能涡旋电子束发生碰撞，高能电子在激光电场作用下辐射出高能γ光子。由于γ光子的动量主要来自于辐射的电子，因而产生的γ光子束也具有涡旋结构并携带有角动量。经过光扇靶5产生的伽马光子束中夹杂少量的电子，通过偏转磁铁6将多余的电子与伽马光子分离。

以下结合具体实施例，对本实用新型方案进行详细说明和解释。

一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，所述系统包括高斯激光发生器1、真空靶室2、激光聚焦装置3、微通道靶4和光扇靶5。高斯激光发生器1产生一束圆极化的高斯激光，激光强度为10²²W/cm²，激光波长为λ＝1μm，焦斑半径为3μm，时间构型为高斯型，脉宽为10T₀，T₀＝c/λ为激光周期，c为真空中的光速。微通道靶4及光扇靶5均由碳离子(C⁶⁺)、氢离子(H⁺)及电子(e^-)构成，整体保持电中性。微通道靶4及光扇靶5中电子的密度均为200n_c，碳离子和氢离子的比例均为1:4。微通道靶4的内半径为3μm，通道厚度为1μm。所述光扇靶5分为八级阶梯(如图2所示)，相邻每级阶梯厚度之差为λ/16，高斯激光的波长λ＝1μm，最小的阶梯厚度为1μm。图2中的色标给出了激光在正入射到光扇靶5后被反射的相位变化。高斯激光发生器1产生一束强度为10²²W/cm²的圆极化高斯激光，通过真空靶室2内激光聚焦装置3将高斯激光聚焦并沿微通道靶4轴心入射到微通道内，超强的振荡电场将电子从通道内拉出形成涡旋状的电子束，并在激光作用下得到加速。激光传输到通道尾端时照射在光扇靶5上，反射时形成一束具有轨道角动量的涡旋激光，并与涡旋电子束碰撞产生涡旋γ光子束。通过偏转磁铁6可以将涡旋γ光子束中的电子偏转，将多余的电子与γ光子分离。

本实施例通过采用圆极化高斯激光与微通道靶及光扇靶相互作用，最终能够得到一束呈涡旋分布，能量为1MeV的光子亮度为10²²photons/s/mm²/mrad²/0.1％BW，平均每个γ光子携带的角动量为

激光到γ光子的角动量转化效率为0.67％。同时，通过改变光扇靶的旋转方向，可以有效改变反射激光的角动量，进而对γ光子的平均角动量进行调节。

综上所述，本实用新型提供的一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，通过通道靶及光扇靶的结合，能够在现有激光技术条件下进行实验研究，产生具有空间尺寸小、发散度低、能量高且携带有高轨道角动量的涡旋伽马光子束，同时通过光扇靶的旋转方向的旋转，可以有效改变反射激光的角动量，进而对光子束的角动量进行调节，为人们认识及操控微观粒子提供了新方向，具有重要的现实及科研意义。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，

所述系统包括高斯激光发生器、真空靶室、激光聚焦装置、微通道靶和光扇靶；所述激光聚焦装置、微通道靶和光扇靶均设置在所述真空靶室中；

所述高斯激光发生器用于产生圆极化的高斯激光，所述高斯激光通过真空靶室内的激光聚焦装置将高斯激光聚焦，聚焦后的高斯激光沿所述微通道靶的轴线射入所述微通道靶内，通过所述微通道靶射入光扇靶上；

所述微通道靶为圆筒结构；所述高斯激光的入射光与所述微通道靶的轴线以及所述光扇靶的中心在同一条水平线上，所述微通道靶的轴线与所述光扇靶垂直；

所述光扇靶整体呈阶梯状，所述光扇靶的厚度随围绕光扇靶轴心的角度变化而增大或者减小，每级阶梯远离微通道靶的一面在同一平面上，靠近微通道靶的一面的位置随角度的变化而不同。

2.根据权利要求1所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，所述系统还包括用于将经过光扇靶产生的伽马光子束中夹杂的电子偏转并将多余的电子与伽马光子分离的偏转磁铁。

3.根据权利要求1所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，所述光扇靶设有n级阶梯，相邻每级阶梯厚度之差为λ/2n，其中，λ为高斯激光的波长，n为正整数且n≥4。

4.根据权利要求3所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，所述光扇靶分为8级阶梯，相邻每级阶梯厚度之差为λ/16，高斯激光的波长λ为1μm，最小的阶梯厚度为1μm。

5.根据权利要求1所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，所述高斯激光的激光强度为10²¹～10²²W/cm²。

6.根据权利要求1所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，所述微通道靶的内半径为2～4μm，所述微通道靶的厚度为0.8～1.2μm。

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