强激光作用下表面等离子体波和表面热电子研究

近年来,研究人员进行了大量激光与物质相互作用的实验,致力于优化相对论电子的参数,从而用于离子加速、产生温稠密物质、作为高次谐波或者X射线源等。为此,人们对特殊结构的靶进行了大量研究,研究表明其可以增加激光的吸收率,提高辐射产额,或者通过表面等离子波激发优化电子和离子束的诸多物理参数。

最近,来自杜塞尔多夫大学的X. M. Zhu等通过利用光强达1020 W/cm2的激光与周期结构的栅型靶相互作用,研究了非线性模式下的表面等离子体波的激发和表面热电子的发射。研究成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2020年第2期上(X. M. Zhu, R. Prasad, M. Swantusch, B. Aurand, A. A. Andreev, O. Willi, M. Cerchez. Relativistic electron acceleration by surface plasma waves excited with high intensity laser pulses[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2020, 8(2): 02000e15)。

实验上采用了平面金靶和栅型金靶,其中栅型靶空间周期约为两倍波长,起伏高度约为80 nm。实验的基本布局如图1所示。

图1 (a) 实验布局示意图;(b) IP板和电子谱仪的位置;(c) 叠层IP板探测不同能段的电子分布。

探测IP板垂直于靶面放置,用于记录表面热电子的方位角和极角的分布,同时在ø=3°放置电子谱仪用以测量电子能谱。由于栅型靶对预脉冲很敏感,实验上采用交叉偏振波(XPW)和等离子镜保证激光的高对比度。

栅型靶和平面靶在不同入射角的情况下得到的叠层IP板第三层得到的表面电子(能量大于1.5 MeV)分布如图2所示。

图2 典型实验结果:(a)-(d) 不同入射角和不同构型的靶得到的热电子的分布,(e)-(g) 方位角θ 积分得到关于极角ø的分布,绿色为栅型靶,黑色为平面靶。

在栅型靶的实验结果中,热电子集中在θ=±30°和ø=40°的区域内,相较于入射角α=30°,α=45°时的IP板上电子总电荷量增加了3.5倍。

对热电子在方位角θ上积分,考察其关于极向ø的分布,在高对比度时,预等离子体膨胀不明显,平面靶和栅型靶的角分布呈现很大的不同,两种入射角下栅型靶的热电子最大分布都在ø=3-5°,但对于平面靶α=30°,此角度几乎没有热电子,α=45°的热电子数目约为栅型靶的1/6;在低对比度时,等离子体的膨胀预计为μm量级,抹平了栅型靶的周期结构,热电子的角分布与平面没有明显区别。

研究人员同时进行了理论分析和PIC模拟,模拟中扫描了光强、入射角度、预等离子体的密度标长等参数。结果表明在同样光强下,改变等离子体密度标长所产生的热电子数目有量级的变化。而在低光强下,利于热电子产生的最优入射角与理论预计的线性激发模式下的共振条件相一致,但在高光强下,密度标长会造成最优入射角的偏移。

总体看来,栅型靶表面热电子的加速过程会受到陡峭的等离子体密度梯度的影响,最优入射角大于表面等离子体波的线性模式所估计的角度。理论和模拟发现,高光强和非均匀的预等离子体是影响表面热电子加速的主要原因。实验结果也表明,可以通过调控预等离子体的密度标长来优化表面热电子加速。