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我校先进材料测试技术研究中心在超强超短脉冲激光驱动高亮度伽马光源和高能离子束研究方面取得重要进展

信息来源: 时间:2019-07-31 浏览次数:

近日,我校先进材料测试技术研究中心研究团队分别在超短超强脉冲激光驱动产生的高亮度伽马光源和高能离子源方面获得重要研究成果。

上世纪80年代啁啾脉冲放大技术(2018年度诺贝尔物理学奖)的发明及发展,使得目前可在实验室获得强度高达1022W/cm2、峰值功率达拍瓦(1015W)量级的高功率激光输出。利用高功率激光与物质相互作用,可产生新型的电子源、离子源、中子源与辐射源,它们具有脉冲短(10-15秒量级时间脉宽)、焦斑小(10微米量级空间尺寸)、亮度高、可调控等优点,可对极端材料进行操控和探测。

自2016年以来,我校周沧涛教授负责承担国家重点研发计划大科学装置前沿研究重点专项“强激光驱动新型粒子源和辐射源研究”项目的科研任务,项目组成员近年来已取得一系列的重要成果。

工作一、超强超短激光驱动产生高亮度高准直涡旋伽马光源:中心博士后鞠立宝博士同合作者在超短脉冲涡旋激光与等离子体相互作用产生高亮度高准直涡旋伽马光源研究方面取得重要进展。美国物理协会(APS)旗下唯一应用物理综合性TOP期刊《Physical Review Applied》近日发表了相关科研成果,深圳技术大学为第一单位和通讯单位,鞠立宝博士和黄太武副教授为共同第一作者,阮双琛教授和周沧涛教授为共同通讯作者。

激光不仅可以有自旋角动量,也可以有轨道角动量,通常带有轨道角动量的激光被称为涡旋激光,这种激光以其奇异性和拥有特殊的螺旋相位波前的特点被广泛应用于光学显微镜、光学微操控(2018年诺贝尔物理学奖)、光通信、量子信息、成像等多个领域。对于低能X射线源,有几种方式产生有轨道角动量的光子束,然而对于更高能(如千兆电子伏特)的伽马射线源,如何产生轨道角动量仍然是重要的挑战。在本工作中,中心研究团队首次提出利用超强涡旋激光与低密度等离子体相互作用获得角动量可调的高亮度高准直伽马射线源的物理机制。发现在一定匹配条件下,可以通过组合电子加速机制获得能量高达GeV(109eV)的涡旋电子束,这些螺旋运动的高能电子进一步通过同步辐射方式可以产生带有轨道角动量的涡旋伽马射线源,并且通过改变涡旋激光的拓扑荷数或激光强度可以调控伽马射线源的轨道角动量大小。此外,通过该机制获得的伽马光源亮度比目前实验室中所获得亮度要高两个量级以上,而其轨道角动量对应的扭矩要高三个量级以上。这些带有轨道角动量的高亮度特殊伽马射线源在材料磁性探测、高密度物质成像、核物理研究、天体物理研究等方面具有重要的应用前景。



图1.(a)超强涡旋激光(绿色)和产生的涡旋伽马射线(红色) (b)涡旋激光的横向激光电场分布 (c)产生涡旋伽马射线的能量密度分布


论文信息:L.B.Ju#, C.T.Zhou*, T.W.Huang#, K.Jiang, C.N.Wu, T.Y.Long, L.Li, H.Zhang, M.Y.Yu, and S.C.Ruan*, Generation of collimated bright gamma rays with controllable angular momentum using intense Laguerre-Gaussian laser pulse, Physical Review Applied, 12 (2019), 014054.

论文链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.014054



工作二、超强超短激光驱动高效产生高能离子束:中心访问学者邹德滨博士同合作者在超短脉冲激光与等离子体波导靶相互作用高效率加速离子(质子和碳离子)束方面取得重要进展。国际原子能机构主办的著名学术期刊《Nuclear Fusion》近日发表相关科研成果,深圳技术大学为第一单位和通讯单位,阮双琛教授和周沧涛教授为共同通讯作者。

超强超短激光与等离子体相互作用可激发高于传统加速器三个量级以上的加速梯度,能够将带电粒子在厘米甚至更短的空间尺度内加速到极高能量,这为激光台面型粒子加速器的发展提供了全新的物理方案。超强激光加速的离子束具有脉宽短、密度高等优势,在离子束驱动热核聚变、影像学、医学等领域具有极其重要的应用价值。然而,当前超强激光离子加速实验中激光至离子的能量转换效率通常低于10%,对于超短脉冲激光甚至小于2%。在本工作中,中心研究团队建立了基于等离子体波导的全三维激光离子加速理论模型,并利用三维粒子模拟程序进行有效验证。研究发现超强激光在等离子体波导壁中拉出的高密度电子串在波导中激发高阶模纵向电场的作用下得到充分加速,如图2所示。当这些电子传输至附着塑料基底后表面时能够诱发更强的鞘层加速电场,可有效地将离子加速到高能:激光-离子转换效率提升至15%、质子能量达46MeV、碳离子能量达150MeV。



图2. (a) 超强超短激光等离子体波离子加速机制图; (b) 波导内激发TM11模的纵向电场切面分布; (c) 波导内激发TM12模的纵向电场切面分。


论文信息:D.B.Zou#, D.Y.Yu, M.Y.Yu, T.W.Huang#, A.Pukhov, H.B.Zhuo, C.T.Zhou*, and S.C.Ruan*, Efficient generation of ~100MeV ions from ultrashort ~1021Wcm-2laser pulse interaction with a waveguide target, Nucl.Fusion 39 (2019) 0066034.

论文链接:https://doi.org/10.1088/1741-4326/ab1121

上述研究工作均得到国家重点研发计划(2016YFA0401100)、科学挑战计划(TZ2016005)、国家自然科学基金、广东省特色创新类项目、深圳市科创委项目、以及深圳技术大学高层次人才科研启动经费等项目的资助与支持。

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