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随着啁啾脉冲放大技术(CPA)的实现，新型激光器可以产生从几十飞秒到几个皮秒的激光脉冲，激光功率密度高达1022W/cm2。理论与实验研究表明，超短超强激光脉冲与等离子体相互作用过程中，会以脉冲形式向外发射高能质子束。尤其是在靶背法线方向以较小锥角发射质子束，具有能谱特性可控、方向准直性高、时间短、源尺寸小、穿透物质能力强等独特的性能。在高能密度物理、等离子体电场和磁场诊断、快点火及医学领域等方面具有重要应用前景。
本论文开展了对超短超强激光与薄膜靶中靶背质子及D离子发射的实验研究，重点研究了靶背法线方向质子束的空间分布、能量分布以及离子加速中靶前和靶后光谱发射。实验是在中国工程物理研究院激光聚变研究中心的SILEX—I超短脉冲激光装置上进行的。在薄膜靶激光质子加速实验中发现激光预脉冲、靶厚度对质子加速有很大的影响。在激光强度3×1018-3×1019 W/cm2条件下，采用前表面厚度为3μm铜、后表面镀4μm厚CH靶，质子的最大能量达到3.15 MeV。而对190 nm厚CH膜靶，质子的最大能量为0.54MeV。初步研究了激光偏振对质子加速的影响，相同激光功率条件下，圆偏振激光加速产生的质子最大能量略低于P偏振打靶。这些结果与靶后鞘层加速机制相一致。另外，还研究了强度为1.0x1019W/cm2的激光与固体薄靶作用产生的光谱发射。对于3μm的镀CD厚铜靶，在激光镜向反射方向观测到二倍频和3/2倍频光谱，且都发生了红移，由红移量推测出等离子体反射面的后退速度约为2.6×108cm/s。而对于200nm厚CH靶，没有观察到镜反方向上的光谱发射，但是沿激光传播方向观察到超连续光谱，光谱波长范围从紫外300nm延伸至红外940nm。利用MULTI-1D程序计算了激光预脉冲与薄膜靶相互作用产生的等离子体密度分布，表明实验中的预脉冲对薄膜靶的密度分布有显著影响，从而导致光学光谱的差异。