Collisionless electrostatic shock formation and ion acceleration in intense laser interactions with near critical density plasmas
本文研究了近临界密度等离子体中激光驱动的无碰撞静电激波的形成及随后的离子加速。粒子模拟结果表明，由于激光在近临界密度等离子体中的快速传播，激光驱动的无碰撞静电冲击的速度和冲击加速的离子的能量都可以大大提高。然而，在近临界密度的等离子体中，冲击波形成之前需要比数十个激光波周期更长的响应时间，与高过密度靶中的快速冲击波形成相反。更重要的是，我们发现，即使在激波上的静电势跃变小于离子在激波系中的动能时，某些离子也可以被无碰撞激波反射，这似乎与传统的离子反射条件相反。这些异常离子反射归因于强时间振荡电场伴随着激光驱动的无碰撞冲击在近临界密度等离子体。
2016-11-21 astro-ph.HE physics.acc-ph physics.plasm-ph
Ion Acceleration - Target Normal Sheath Acceleration
高能离子从第一个激光等离子体实验开始就被观察到了，它们的起源是被激光加热的电子的电荷分离，电子将能量传递给在激光场中加速的离子。脉冲长度在飞秒范围内的超强激光的出现导致了高能离子的发现，这些离子的特性与长脉冲激光驱动的离子完全不同。这些离子束于20世纪90年代末被发现，由于其独特的性质和高粒子数，已成为世界范围内激烈研究的焦点。基于它们的非各向同性、光束状的行为，总是垂直于发射表面，加速机制被称为目标法向鞘层加速（TNSA）。我们解决的物理机制及其依赖于激光和目标参数。探索和诊断光束的技术，使他们有用的应用，也解决了。
2017-05-30 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Vacuum laser acceleration of super-ponderomotive electrons using relativistic transparency injection
强激光可以在短距离内将电子加速到非常高的能量。这种紧凑型加速器有几个潜在的应用，包括快速点火，高能物理和射线照相。在激光加速电子的各种方案中，真空激光加速电子具有超高的加速梯度和非常简单的优点。然而它的实现一直很困难，因为将自由电子注入快速振荡的激光场中并不是小事。在这里，我们证明了自由电子注入和随后的真空激光加速电子高达20兆电子伏使用相对论透明效应。当高对比度强激光驱动薄固体箔时，来自致密不透明等离子体的电子首先被固体箔前面的激光驻波加速到近光速，随后随着不透明等离子体变得相对论透明而注入透射激光场中。可以通过操纵激光偏振、入射角和时间脉冲成形来进一步优化电子注入/加速。我们的研究结果也揭示了基本的相对论透明过程，对于产生次级粒子和光源至关重要。
2021-10-26 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Simulation Prediction and Experiment Setup of Vacuum Laser Acceleration at Brookhaven National Lab-Accelerator Test Facility
介绍了美国加州大学洛杉矶分校、复旦大学和美国国家实验室合作开展的真空激光加速器（VLA）第一阶段预实验计划和预测。这个第一阶段的实验是一个原理证明，以支持我们以前发布的新颖的VLA理论。模拟结果表明，在ATF现有的实验条件下，初始能量为15MeV的电子束可以从强流CO2激光束中获得净能量增益。利用ATF束线诊断系统可以观察到电子束能散的差异。而且这种能量扩展效应随着激光强度的增加而增强。该方案已得到ATF委员会的批准，下一步将进行实验。
2011-09-30 physics.acc-ph
The slingshot effect: a possible new laser-driven high energy acceleration mechanism for electrons
我们表明，在适当的条件下，一个非常短的和强烈的激光脉冲到等离子体上的影响，导致驱逐的表面电子与高能量的脉冲的传播方向相反。这是由于有质动力和电荷分离产生的巨大纵向场的综合效应（“弹弓效应”）。这种效应也应该存在于其他状态的物质中，只要脉冲足够强，可以在局部引起完全电离。实验测试似乎是可行的，如果得到证实，将提供一种新的电子提取和加速机制，替代传统的基于射频或激光尾场的机制。
2014-11-14 hep-ph hep-th math-ph
Intense high-quality medical proton beams via laser fields
在过去的十年中，高强度激光与固体靶的相互作用引起了人们的极大兴趣，因为它在加速带电粒子方面具有潜力。尽管在基于激光等离子体的加速方面取得了巨大的进展，但仍然不清楚在即将到来的多拍瓦（1 PW = 10 $^{15}$ W）激光产生中哪种粒子束质量将是可获得的。在这里，我们显示与耦合的相对论运动方程的基础上，质子产生的激光等离子体过程可以有效地后加速使用交叉激光束聚焦到几个激光波长的光斑半径的模拟。我们表明，交叉光束产生单能加速质子的动能$> 200$ MeV，小的能量扩散（$\approx$ 1 $%$）和强子癌症治疗所需的高密度。据我们所知，这是第一个允许基于全光设置的重要应用的方案。
2010-10-18 physics.acc-ph
Polarization control of electron injection and acceleration in the plasma by a self steepening laser pulse
我们描述了两个注入机制的背景电子到一个不断发展的等离子体气泡背后的强激光脉冲之间的相互作用：一个是由于整体气泡膨胀，另一个是由于其周期性波动。当强激光脉冲在等离子体中传播形成冲击波时，这两种机制同时发生。等离子体泡沿激光传播路径的周期性波动可以抑制或协同由于气泡膨胀的电子注入。研究表明，自陡激光脉冲诱导的载波包络相位（CEP）控制的等离子体泡起伏产生了一种独特的电子注入器：膨胀相位控制的起伏泡（EPUB）。由EPUB注入的电子束团的纵向结构可以通过激光偏振和功率来控制，从而产生具有超短（飞秒尺度）时间结构的高电荷（多个纳米库仑）高电流（数十千安培）电子束。分析了EPUB产生的高能电子感应加速器辐射的一个很有前途的应用，它具有偏振和CEP控制的能谱和角分布。
2022-10-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Ion Acceleration by Short Chirped Laser Pulses
从理论上研究了短频率啁啾激光脉冲对离子的直接激光加速。我们证明了可以产生动能展宽约1%的强离子束。啁啾的激光脉冲允许粒子获得数百兆电子伏的动能，这是强子癌症治疗所需的，从脉冲的能量的顺序为100 J。它示出，几个周期的啁啾脉冲可以加速离子更有效地比长的，即更高的离子动能达到相同的总电磁脉冲能量。
2015-02-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Free electron laser seeded by betatron radiation
本文介绍了用电子感应加速器辐射作为自由电子激光（FEL）的种子源。该方案适用于所有等离子体加速电子束驱动的自由电子激光器。在等离子体加速过程中，电子通过电离气体时确实会产生以宽光谱为特征的X射线区域的强辐射，即电子感应加速器辐射。建议使用适当选择波长并适当同步的这种辐射来激发自由电子激光的发射。
2022-09-21 physics.acc-ph
Non-perturbative aspects of particle acceleration in non-linear electrodynamics
我们在非线性电动力学的背景下进行粒子加速的调查。我们推导出的最大能量，电子可以获得在磁化等离子体中的非线性密度波，我们表明，电子可以“冲浪”一个足够强烈的玻恩-因菲尔德电磁平面波和强烈加速的波。第一个结果对于线性麦克斯韦方程组的一大类物理上合理的修改是有效的，而第二个结果利用了Born-Infeld理论的特殊数学结构。
2015-04-20 hep-th physics.acc-ph
Acceleration of Electrons in Plasma
这是对由强激光脉冲或粒子束驱动的等离子体尾场中电子加速的简要回顾，随后在葡萄牙塞辛布拉举行的2019年欧洲核子研究中心加速器学院等离子体加速器讲座。总结了目前激光尾场加速（LWFA）和束流驱动等离子体尾场加速（PWFA）实验中驱动源及其强度参数和工作参数的共性。介绍了能量限制，包括激光器的退相和耗尽长度，以及束驱动等离子体的Transformer比。引入了尾流哈密顿量的概念，并在相空间中确定了由此产生的粒子轨道，说明了如何确定加速电子的峰值能量和能量扩展。
2020-07-08 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Surface Plasmon-Driven Electron and Proton Acceleration without Grating Coupling
强激光与固体靶相互作用中的表面等离子体激元（SP）激发可以用来增强二次发射，特别是高电荷电子束团的有效加速。以前的研究大多使用光栅耦合来允许SP激发，这需要严格的激光对比度条件来保持目标的结构完整性。在这里，我们表明，通过模拟，目前可用的短脉冲激光器的有效SP电子加速可以发生在一个平面箔照射在平行或掠入射（$\sim 5^\circ$与目标表面），没有表面调制。进而，对于当前可用的激光器驱动器，加速的电子可以有效地产生具有峰值为$>$ 100 MeV能量的窄光谱的质子束。
2022-07-06 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Coulomb implosion mechanism of negative ion acceleration in laser plasmas
提出了激光等离子体中负离子加速的库仑内爆机制。当强激光脉冲辐照团簇靶时，带正电的离子发生库仑爆炸，带负电的离子被向内加速。负离子的最大能量比正离子低几倍。对库仑内爆机制进行了理论描述和Particle-in-Cell模拟，并给出了强激光脉冲与团簇靶相互作用实验中负离子加速的证据。
2008-12-12 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Multi-MeV electron acceleration by sub-terawatt laser pulses
我们证明了激光等离子体加速高电荷电子束的~10兆电子伏的规模，使用超短激光脉冲与小能量为10毫焦耳。这一结果是通过极密集和稀薄的氢气射流实现的。总电荷高达~0.5 nC的测量能量>1 MeV。加速与相对论自聚焦激光丝的存在相关，伴随着强烈的相干宽带闪光，与波破碎相关，其可以在亚飞秒带宽内辐射超过3%的激光能量，与半周期光发射一致。我们的研究结果使真正便携式应用的激光驱动的加速，如低剂量射线照相，超快探测的物质，和同位素生产。
2015-06-09 physics.acc-ph physics.optics
Radiation Pressure Dominate Regime of Relativistic Ion Acceleration
在超强电磁波与固体物质的相互作用中，电磁辐射压力成为主导，从而波能可以有效地转化为代表该物质的离子能量，并产生高密度超短相对论离子束。即使在当今的技术下，当艾瓦激光器建成时，也可以看到这种机制。作为应用，我们建议激光驱动重离子对撞机。
2004-05-17 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Laser electron acceleration on curved surfaces
相对论强激光束沿曲面传播加速电子，可使加速后的电子束团和激光束柔和地分裂。弯曲表面的存在允许切换波中电子的绝热不变量，立即将获得的能量留给粒子。有效的加速是由强瞬态准定常场的存在下，在相互作用区域和一个长的有效加速长度。表面的曲率允许选择加速的粒子并提供它们的窄角分布。工作机制在理论模型和实验中得到了明确的证明。
2017-11-02 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Spin polarized proton beam generation from gas-jet targets by intense laser pulses
提出了一种利用多拍瓦激光器从气体射流中产生自旋极化质子束的方法。利用现有的由光解卤化氢分子产生预极化单原子气体的技术和拍瓦激光器，可以获得能量约为50 MeV、极化度约为80%的质子束。本文采用完全自洽的三维粒子模拟方法，对质子的两级加速和自旋动力学进行了理论研究。我们的结果预测的光束偏振的驱动激光脉冲的强度的依赖关系。明亮的高能极化质子束的产生将打开一个领域的偏振研究与激光驱动的加速器，并有潜在的应用，使有效的探测量子色动力学的探索。
2020-07-24 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Direct laser acceleration of electrons in free-space
紧凑型激光驱动加速器是一种多功能和强大的工具，在科学，健康，安全和技术的各种目的的社会基础上具有不可替代的相关性，因为它们为传统射频加速器的最先进成就带来了巨大的实用性。目前基于激光的基准技术依赖于介质来辅助光-物质相互作用，这施加了材料限制或强烈的不均匀场。几个周期的超强径向偏振激光器的出现，实现了一个广泛研究的新型加速器，采用最简单的形式的激光加速，是独特的，不需要介质，实现强纵向能量转移直接从激光到粒子。在这里，我们提出了直接纵向激光加速的非相对论电子，经历高方向性的多GeV/m加速梯度的第一次观察。这一演示开辟了一个新的前沿直接激光驱动粒子加速能够创建良好的准直和相对论阿秒电子束和x射线脉冲。
2015-01-21 physics.acc-ph physics.optics
Analysis of a Cyclotron Based 400 MeV/u Driver System for a Radioactive Beam Facility
强放射性核束的产生需要强而高能的原束。一个工作队对这一问题的分析建议，一个能够在1粒子uA下发射400 MeV/u铀的加速系统是这种设施的适当驱动器。驱动器系统应该能够以更高的强度加速更轻的离子，使得维持恒定的最终束功率（~ 100 kW）。本文件是一个更详细的后续对这种系统的前面的分析，包括回旋加速器。所提出的驱动器预加速系统由离子源、射频四极杆和直线加速器链组成，能够产生30 MeV/u的最终能量和Q/A ~1/3的电荷（Q）/质量（A）。该加速系统之后将是最终输出能量为400 MeV/u的分离扇区回旋加速器。与具有相同初级束输出参数的完全直线加速器系统相比，该系统在初始资本投资以及操作方面提供了更具成本效益的解决方案。
1999-08-20 nucl-ex physics.acc-ph
Phase-stable limited relativistic acceleration or unlimited relativistic acceleration in the laser-thin-foil interactions
为了阐明相稳定加速度（PSA）和无限相对论加速度（URA）之间的关系（物理评论快报）。104，135003（2010）），基于流体动力学方程，提出了超强激光与纳米箔相互作用的分析相对论模型。离子动量对时间的依赖性与以前的结果是一致的，并通过PIC模拟检查。根据初始离子动量的不同，相对论RPA包含两个加速过程：相位稳定的有限相对论加速（PS-LRA）和URA。在PS-LRA中，电势是捕获离子的深阱。离子前沿，即，底部，将其分为两部分：左半区为PSA区，右半区为PSD区，在PSD区中，离子爬升并减速返回。在PS-LRA中，最大离子能量是有限的。如果初始离子动量足够大，离子将经历一个势下坡，坠入无底深渊，这就是所谓的类锁相位置。URA不再是相稳定的。在类锁相位置，离子可以获得无限的能量增益，离子密度不为零。你不能同时拥有PSA和URA。
2011-03-21 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Bright gamma-rays from betatron resonance acceleration in near critical density plasma
我们表明，在近临界密度等离子体中，由超强超短激光脉冲加速的电子感应加速器共振可作为高亮度伽马射线源。与低密度等离子体中的激光等离子体X射线源相比，近临界密度等离子体提供了三个电子辐射优势：更多的辐射电子、更大的横向振幅和更高的电子感应加速器振荡频率。三维粒子模拟结果表明，在7.4J的激光脉冲作用下，产生了8.3mJ的辐射，其临界光子能量为1MeV。临界光子能量$E_c$随入射激光能量的增加而增加，其增加速度大于线性关系。$W_I$与$E_c \propto W_I^{1.5}$成比例，相应的光子数与$W_I$成比例。建立了一个简单的类同步辐射解析模型，可以解释模拟结果。
2013-10-23 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Autoresonant laser acceleration of electrons in a strongly magnetized plasma solenoid
本文研究强磁化等离子体螺线管中的电子直接激光自共振加速，分析不同装置构型并估计加速效率与共振磁场，论证实际全光学方案产生高能电子束的可行性。
2024-05-10 physics.acc-ph physics.app-ph physics.plasm-ph
Express Diagnostic of Intense Laser-driven MeV Radiation Source using Copper Isotopes
本文提出利用铜同位素核活化法快速诊断激光驱动MeV轫致辐射源的发散角与光子注量，并探索高效生产62^Cu的途径。
2025-09-08 hep-ex physics.acc-ph
Synchronous post-acceleration of laser-driven protons in helical coil targets by controlling the current dispersion
强超短激光脉冲驱动的螺旋线圈靶中质子的后加速可以利用靶自放电产生的瞬态电流来提高离子能量。质子的加速长度可以超过几毫米，加速梯度在GeV/m的数量级。如何保证加速电场与质子的同步是有效后加速的关键问题。本文研究了电流色散引起的电场失配对质子同步加速的影响。我们提出了一个方案，使用两级螺旋线圈来控制电流色散。在优化的参数下，质子的能量增益提高了4倍。预计通过控制电流色散，使用数百太瓦激光器的质子能量将达到45 MeV，或使用拍瓦激光器超过100 MeV。
2022-12-08 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Axionic suppression of plasma wakefield acceleration
当代试图用基于等离子体的尾流场加速来解释超高能宇宙射线的存在，刻意避开了非标准模型粒子物理学。然而，这些建议利用了宇宙中一些最极端的环境，可以想象，标准模型之外的假设粒子对加速过程的有效性有重大影响。轴子解决了强CP问题，并为冷暗物质提供了最重要的候选者之一，它们在当前背景下的潜在意义不应被忽视。我们的分析的场方程描述的等离子体增强轴子揭示了一个戏剧性的轴子诱导抑制的能量所获得的测试粒子在尾场驱动的粒子束，或强烈的电磁辐射脉冲，在超相对论的速度在宇宙中最强的磁场内传播。
2016-07-30 hep-ph physics.acc-ph physics.plasm-ph
Laser-Plasma Ion Beam Booster Based on Hollow-Channel Magnetic Vortex Acceleration
针对激光驱动离子加速的离子最大能量不足问题，提出保品质级联加速方案，经三维PIC模拟验证其鲁棒性且可俘获高电荷质子团，适配现有及近期激光装置。
2024-05-06 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Cascaded acceleration of proton beams in ultrashort laser-irradiated microtubes
提出了一种利用超短激光辐照微管的级联离子加速方案。当强激光脉冲将微管中的电子吹走时，在微管中沿轴向和径向都形成了强的电荷分离电场。通过控制激光脉冲与沿微管轴向注入的预加速质子束之间的时间延迟，我们证明了在激光辐照的微管中，瞬时轴向电场可以进一步加速质子束。此外，注入质子束的准直性可以通过向内的径向电场来增强。数值模拟表明，这种级联离子加速方案即使在非相对论激光强度下也能有效地工作，并且可以应用于能量范围为1 ~ 100 MeV的注入质子束。因此，它特别适合于级联加速质子到更高的能量。
2017-10-07 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Efficient injection of radiation-pressure-accelerated sub-relativistic protons into laser wakefield acceleration based on 10 PW lasers
我们提出了一种混合激光驱动的离子加速方案，使用固体箔和密度定制的背景等离子体的组合目标。在第一阶段，强激光与固体薄膜相互作用中的辐射压加速可产生亚相对论质子束。在第二阶段，该次相对论质子束被进一步加速的激光尾流场驱动的相同的激光脉冲在近临界密度的背景等离子体密度下降的轮廓。在第二阶段开始时，激光波前的传播速度和激发尾场波的相速度被有效地降低。通过沿激光传播方向从临界密度附近逐渐降低背景等离子体密度，尾流在加速质子的同时行进得越来越快。因此，质子和尾流之间的退相被推迟，并且实现有效的尾流场质子加速。这种混合激光驱动质子加速方案可以通过使用峰值功率为10 PW的超短激光脉冲产生多GeV质子束来实现。
2018-06-28 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Light-front approach to relativistic electrodynamics
该研究提出光前方法，以光样坐标替代时间简化相对论电动力学，适用于真空和等离子体中极端加速场景，如弹弓效应和激光尾场加速。
2020-12-13 astro-ph.HE physics.acc-ph physics.plasm-ph
Coherent radiation reaction effects in laser-vacuum acceleration of electron bunches
分析了相干增强辐射反应对亚波长电子束团与强激光相互作用中运动的影响。辐射反作用力表现为激光束方向上的辐射压力，与垂直方向上的粘性力相结合。由于电子束团的库仑膨胀，相干辐射反应效应只发生在束团小于波长的初始阶段。结果表明，这个初始阶段可以有可观察到的效果上的束的轨迹。通过将系统缩放到更大的聚束电荷，这些效应可以增加到这样的程度，即它们可以抑制通常在有质动力加速方案中发现的径向不稳定性，从而使激光真空电子聚束加速到GeV能量的全部潜力成为可能。
2010-04-04 physics.acc-ph physics.atm-clus physics.class-ph
Longitudinal shaping of plasma waveguides using diffractive axicons for laser wakefield acceleration
研究展示了一种八级对数衍射轴棱镜（LDA）用于产生米级等离子体波导，通过形成类贝塞尔光束和漏斗状通道入口，提升了多GeV激光尾场加速的波导耦合能力。
2025-03-03 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Benchmarking of hydrodynamic plasma waveguides for multi-GeV laser-driven electron acceleration
本研究对流体动力学等离子体波导进行基准测试，通过精确模拟贝塞尔光束与气体靶相互作用，结合实验验证，为多GeV至100 GeV级激光等离子体加速器设计提供可靠导模结构。
2024-04-21 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
