專利名稱：一種相位調制的激光驅動粒子加速方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及粒子加速領域，尤其涉及一種激光驅動的粒子加速技術領域。
背景技術：
強激光和等離子體作用產生高能電子或高能離子是新型粒子加速器和可控核聚 變的關鍵問題之一。激光與等離子體相互作用機制復雜，參數控制困難，若能通過激光在 真空條件下直接加速帶電粒子，那么實現的方案就方便得多，加速器建造的成本將大大下 降，然而在真空條件下實現電粒子的有效加速具有顯著的困難，主要原因是帶電粒子的 速度小于激光的相速，根據Lawson-Woodward定理(見Eric Esarey， Phillip Sprangle andjonathan Krall， Physical Review E. 52， 5443-5453 (1995))，在平面波中電子半周期的 加速會因跟隨其后的半周期的減速而抵消，因此帶電粒子不能獲得凈能量。對于橫向寬度 有限的激光脈沖，由于存在強度梯度，加速和減速是不對稱的，因此電子可以獲得一定的能 量，這個機制一般用有質動力來解釋。但有質動力取決于光強的梯度，作用力比較小， 一般 不能獲得較高的能量轉換效率。相位調制技術在慣性約束聚變中已有應用，如為了減小瑞 利-泰勒不穩定性以及其他參量不穩定性而采用的空間感生非相干技術(ISI)等。但是， 對激光進行相位調制從而對帶電粒子逐級捕獲進行加速還沒有應用。
發明內容
本發明提供一種激光對帶電粒子在真空中直接高效加速的方法。 —種相位調制的激光驅動粒子加速方法，用激光在真空條件下加速帶電粒子，所
述的激光作用于帶電粒子時，在激光的一個周期內分為使帶電粒子加速的加速相和使帶電
粒子減速的減速相，在激光作用于帶電粒子前對激光的相位進行調制，使得將與帶電粒子
相作用的激光的減速相發生相位改變，改變成加速相后再作用于帶電粒子。 本發明通過對激光相位的調制，再運用調制后的激光對帶電粒子逐級捕獲而進行
加速。這樣帶電粒子受到調制后的激光的作用時，調制后的激光的前半個周期和后半個周
期不對稱，使得加速相強于減速相，從而經過一個周期后有凈能量獲得，這樣經過多個周期
的作用達到調制后的激光對粒子的逐級捕獲進行加速，使得粒子獲得的能量與相同激光強
度但沒有經過相位調制的激光作用相比，有非常顯著的提高。 對于激光的相位的調制可以采用現有技術手段，例如在激光的光路中加設相位調 制片。相位調制片的材料可以采用現有技術，一般情況下要求相位調制片的材料的具有比 較高的折射率、透射率高(即吸收系數好)的材料，也要求抗輻射損傷能力高，比如高純度 的玻璃等。 —束激光的沿其傳播方向能量是波動的，激光作用于帶電粒子時(即向帶電粒子 傳遞能量，使帶電粒子加速)，在激光的一個周期內，有半個周期內使帶電粒子加速，而另半 個周期使帶電粒子減速，使帶電粒子加速的半個周期內所對應的激光的相位稱為加速相， 使帶電粒子減速的半個周期內所對應的激光的相位稱為減速相。
現有技術中通過激光來加速帶電粒子時，激光的加速相與減速相均會與帶電粒子 相作用，加速相與帶電粒子相作用時會有明顯的加速效果，但當減速相與帶電粒子相作用 時反而會降低帶電粒子的速度和能量。 本發明對激光的相位的調制的目的就是通過相位調制片改變激光的相位使得原 本將與帶電粒子相作用的激光的減速相發生相位改變，盡可能地改變成加速相，這樣就會 使與帶電粒子相作用的更多是加速相。 本發明還提供一種對帶電粒子在真空中直接高效加速的裝置。 —種相位調制的激光驅動粒子加速裝置，包括激光發生器、真空管、帶電粒子源， 所述的激光發生器與真空管之間還設有相位調制片，激光發生器產生的超強激光脈沖(激 光強度大于1019W/cm2)通過相位調制片進行相位調制后，射入真空管中，然后與一定角度射 入的帶電粒子相互作用，實現對他們的有效加速。 所述的相位調制片根據激光脈沖的波長、強度、激光脈沖束腰寬度、激光脈沖持續
的時間長度以及帶電粒子的初始能量和帶電粒子入射時與激光光軸間的夾角等做優化選
擇。以盡可能減少由于帶電粒子的速度小于激光的相速而引起的與激光相位間的失匹配，
達到延長激光場對帶電粒子的加速時間，從而最終獲得高的凈能量。相位調制片的選擇，激
光的強度，帶電粒子的初始能量和入射位置將會影響帶電粒子最后獲得的能量。 線偏振高斯激光進行調制后的脈沖的電場和磁場由下式表示
p p nrxcos(0) 2xsin(化
Ex = E。Gc。s (小)，五=—五oG[ 、" + ;「]
y <yw(z)z ，
其中x為激光偏振方向的坐標，z為激光傳播方向的坐標，y為垂直于x和z的坐 2tt
標，w
為瑞利長度G-^exp[-^^^]exp[-、 2/]， /^T7T t為時間，、為脈沖持
為激光的頻率八=1，入為激光波長，E。為激光振幅，(力=M;QA/l + (Z/^)2為脈沖
的橫向寬度，R(z) = z[1+(Zr/z)2]為波前曲率半徑，w。為光腰處的橫向寬度，^ =b《/2
加《 加" -i z "
續時間長度，小="t-kz+小z-小r十△小(z)，小z = tan—1 (z/zK) ， 4r = kr7(2R(z)) ， A小 =floor [r"。/(Ar" (z)) ] s Ar為調制后激光的附加相位和場點的半徑關系，其中floor 函數以"(z) Ar/r"。為單元構成附加相位小(r)的梯形分布。Ar為梯形單元的寬度， "(z)/"。表示梯形單元隨激光的傳播而變化，S用于調節相鄰階梯間的相位差，A小為每 單元引起的附加相位差。 帶電粒子與調制后的激光的相互作用由相對論性的動力學方程 I =《(g + P X S)描述，其中——和q為電子的動量，速度和所帶的電荷，粒子的能量
由;K = a/1-v2/e2描述，其單位為mc^，其中m為粒子的靜止質量。 由于本發明的關鍵是對激光脈沖的相位在垂直于激光光軸的平面內進行空間調 制，整體的相位改變對加速效果影響不大，而且相位調制片引起的整數激光波長的長程改
4變并不引起激光相位的改變，因此給相位調制片的制作帶來了方便，達到相同的加速效果 可以有不同的相位調制片的選擇。 選擇合適材料或形狀的相位調制片可以將激光的相位按需要進行調制，現有技術 中一般是通過以上的關系式進行建模模擬，預先評價調制的效果，在根據模擬的結果實際 制作相位調制片。 本發明通過對強激光脈沖的相位調制，使得強激光可以對帶電粒子在真空中直接 高效加速，結構簡單，而且相位調制片制作方便，有利推廣。
附圖1為本發明裝置實施例結構示意圖。
附圖2為附圖1的裝置中相位調制片的結構示意圖。 附圖3為附圖2中相位調制片的側視示意圖。 附圖4本發明實施例未經相位調制時帶電粒子獲得的能量示意圖；
附圖5本發明實施例經過相位調制時帶電粒子獲得的能量示意具體實施例方式
如圖1所示，為本發明裝置實施例結構示意圖，用具有圓對稱的相位調制片2放置 在垂直于激光光軸的平面上，圓心位于激光光軸，電子斜入射到激光經過的區域并與調制 后的激光在真空管1中相互作用，強激光脈沖的電場將會對電子起加速作用。附圖2為附 圖1的裝置中相位調制片的結構示意圖，其側視示意圖如圖3所示。它是具有圓對稱的階 梯式的波片，激光經過不同的階梯圓環區域，將產生不同的附加相位，相鄰階梯區域的相位
線偏振高斯激光進行調制后的脈沖的電場和磁場由下式表示
Ex = E。Gcos W A— — ,[^~ +
其中x為激光偏振方向的坐標，z為激光傳播方向的坐標，y為垂直于x和z的坐 2;r
標，"為激光的頻率八=1, A為激光波長，E。為激光振幅，= %0 + (z/Z/<)2為脈沖 的橫向寬度，R(z) = Z[l+(zK/z)2]為波前曲率半徑，w。為光腰處的橫向寬度，^ =hvQ2/2 為瑞利長度G二^^exp[-~f^]eXp[-(<^2—，) ] /"Y^ t為時間，、為脈沖持
續時間長度，小="t_kz+小z_小r十△小(z)，小z = tan—1 (z/zK) ， 4r = kr7(2R(z)) ， A小 =floor [r"。/(Ar" (z)) ] s Ar為調制后激光的附加相位和場點的半徑關系，其中floor 函數以"(z) Ar/r"。為單元構成附加相位小(r)的梯形分布。Ar為梯形單元的寬度， "(z)/"。表示梯形單元隨激光的傳播而變化，S用于調節相鄰階梯間的相位差，A小為每 單元引起的附加相位差。 其中Ad = S/n ;圖中可見Ad為相位調制片每個階梯的高度，n為相位調制片的折射率，那么根據用于調節相鄰階梯間的光程差的S以及相位調制片選用不同材料時所對 應的折射率，就可以確定相位調制片每個階梯的高度。 圖中可見Ar為梯形單元的寬度，g卩指相位調制片每個階梯的寬度，計算出相位 調制片每個階梯的寬度和高度后，就可以制作出相位調制片。 帶電粒子與調制后的激光的相互作用由相對論性的動力學方程 ^ =《C^ + 7 X S)描述，其中——和q為電子的動量，速度和所帶的電荷，粒子的能量
由y = — v2 /c2描述，其單位為mc2，其中m為粒子的靜止質量。選取激光強度為I = 2X 1(^W/cm2，激光脈沖束腰寬度"。=20 A ，脈沖持續時間長度t 。 = 32 A /c ;s = 0. 06 ; 電子初試速度為u。 = 0. lc，粒子入射角度a =21.8° ，其中A為激光波長，c表示光在 真空中傳播速度。通過數值模擬可以得到電子加速效果對比圖如圖4、圖5，圖4表示沒有經 過相位調制時電子獲得的能量，圖5表示相同條件下激光經過調制后電子獲得的能量。橫 坐標表示電子在激光傳播方向的位置，縱坐標表示以m^2為單位的粒子能量，其中me為電 子的靜止質量。從對比圖中可以看出沒有經過相位調制時電子間隔地與加速相和減速相作 用，所以能量會忽高忽低不穩定，而就最終獲得的能量來看也是比較低的，而圖5中激光經 過調制后電子主要會與激光的加速相作用，獲得的能量也會穩步增加，電子的有效加速時 間明顯延長，最后電子凈能量獲得提高近90倍。
權利要求
一種相位調制的激光驅動粒子加速方法，用激光在真空條件下加速帶電粒子，所述的激光作用于帶電粒子時，在激光的一個周期內分為使帶電粒子加速的加速相和使帶電粒子減速的減速相，其特征在于在激光作用于帶電粒子前對激光的相位進行調制，使得將與帶電粒子相作用的激光的減速相發生相位改變，改變成加速相后再作用于帶電粒子。
2. 如權利要求1所述的激光驅動粒子加速方法，其特征在于所述的激光為線偏振高 斯激光。
3. 如權利要求2所述的激光驅動粒子加速裝置，其特征在于所述的線偏振高斯激光 進行調制后的脈沖的電場和磁場由下式表示.xcos⑨ 2xsin(^). + —)2 匿ycos(-) 2>>sin(-)，其中x為激光偏振方向的坐標，z為激光傳播方向的坐標，y為垂直于x和z的坐標，Ex = E。 g cos (化=-五qG[:^ +2;r"為激光的頻率八=1， A為激光波長，E。為激光振幅，w(z) = w。力+ (z/Z/<)2為脈沖的 橫向寬度，R(z) = Z[l+(zK/z)2]為波前曲率半徑，w。為光腰處的橫向寬度，z^ =^>《/2為 瑞利長度G = "^exp[-+7]exp[-一「 )2] t為時間，、為脈沖持續時間長度，小="t-kz+小z-小r+A小(z)，小z = tan—1 (z/zK) ， 4r = kr7(2R(z)) ， A小= floor[rw。/(Arw(z))]s Ar為調制后激光的附加相位和場點的半徑關系，其中floor函數 以w(z) Ar/rw。為單元構成附加相位小(r)的梯形分布，Ar為梯形單元的寬度，w(z)/w。表 示梯形單元隨激光的傳播而變化，s用于調節相鄰階梯間的相位差，A小為每單元引起的 附加相位差。帶電粒子與調制后的激光的相互作用由相對論性的動力學方程！=《(f + P X描述，其中》,和q為電子的動量，速度和所帶的電荷，粒子的能量由y = ^1 —一/^描 述，其單位為配2，其中m為粒子的靜止質量。
4. 一種用于實施權利要求1 3任意權利要求所述的相位調制的激光驅動粒子加速方 法的加速裝置，包括激光發生器、真空管、帶電粒子源，其特征在于所述的激光發生器與真 空管之間設有相位調制裝置，激光發生器產生的激光通過相位調制裝置進行相位調制后， 射入真空管中，與帶電粒子源產生的帶電粒子在真空管中進行加速。
5. 如權利要求4所述的激光驅動粒子加速裝置，其特征在于所述的相位調制裝置為 相位調制片。
全文摘要
本發明公開了一種相位調制的激光驅動粒子加速方法，用激光在真空條件下加速帶電粒子，所述的激光作用于帶電粒子時，在激光的一個周期內分為使帶電粒子加速的加速相和使帶電粒子減速的減速相，其特征在于在激光作用于帶電粒子前對激光的相位進行調制，使得將與帶電粒子相作用的激光的減速相發生相位改變，改變成加速相后再作用于帶電粒子。本發明通過對強激光脈沖的相位調制，使得強激光可以對帶電粒子在真空中直接高效加速，不需要與等離子體相互作用，結構簡單，而且相位調制片制作方便，有利推廣。
文檔編號H05H9/00GK101772254SQ20091015664
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月30日 優先權日2009年12月30日
發明者張智猛, 朱倫武, 盛正卯, 郁明陽 申請人:浙江大學