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强短激光脉冲在预等离子体通道中的导引与传播在激光驱动的等离子体加速器、高次谐波产生、X射线激光以及激光核聚变等领域都起着非常重要的作用.对于强短激光脉冲,尾场将对等离子体中激光的传播产生重要的诃制作用.反过来,激光脉冲的调制也将影响尾场的激发.另外,当强短脉冲激光能以孤立波的形式在预等离子体通道中传播时,激光脉冲不仅能够传播长的距离而不弥散,而且孤立波的局域包络结构能在等离子体的局部引入扰动,这非常有利于激光尾场加速中波破的产生和加速电子束的自注入.同时,超强超短激光与固体薄膜靶相互作用产生的快离子在很多方面有着潜在的应用,如医学治疗、医学同位素产生、质子成像、激光等离子体相互作用的诊断、传统加速器的注入、物质的等容加热、核活化、高能物理以及惯性约束核聚变中的快点火等.目前,超强圆偏振激光与超薄固体靶相互作用中的辐射压力加速被认为是产生这些高性能离子束非常有效的离子加速机制之一.然而,由于高维效应的影响,如薄膜靶的变形以及Rayleigh-Taylor不稳定性和Weibel不稳定性的增长等,二维和三维情形下的辐射压力加速并不稳定.研究这些不稳定性发展的规律并提出有效的解决方案,将是辐射压力机制加速离子研究的重要方面之一. 本学位论文围绕强短激光脉冲在预等离子体通道中的传播以及圆偏振激光与薄膜靶相互作用中辐射压力机制加速离子,主要研究了两个方面的内容:一是考虑尾场效应时强短激光脉冲在预等离子体通道中的传播,特别是其中孤立波的存在性;二是辐射压力加速机制中不稳定性的发展规律与抑制问题.具体总结如下: 1.通过考虑相对论、预等离子体通道、相对论与预等离子体通道的耦合以及尾场效应,研究了强短激光脉冲在预等离子体通道中的传播特性以及电磁孤立波的形成.运用变分法,首先得到了强短激光脉冲焦斑半径的演化方程.针对焦斑半径的非线性演化方程,一方面通过非线性动力学分析的方法得到了强短激光脉冲以恒定焦斑半径、周期性散焦振荡、周期性聚焦振荡、崩溃性塌缩以及孤立波传播时初始的激光等离子体参数,另一方面,根据相应的初始参数,通过4阶Runge-Kutta法数值求解焦斑半径的非线性演化方程,得到了强短激光脉冲在预等离子通道中传播的具体图像.研究结果表明:当强短激光脉冲的脉冲长度约为等离子体波长时,尾场将被有效激发并对激光脉冲有很好的聚焦作用. 2.通过理论分析和二维PIC模拟,研究了圆偏振的横向高斯激光脉冲辐照双层靶中的离子加速问题.双层靶的基本思想是使薄膜靶的面质量密度与激光的横向高斯强度分布相匹配,从而尽可能地使薄膜靶在横向得到均匀的辐照.为此,双层靶由具有高斯分界面的均匀两层构成,且为平靶.一种双层靶由单一离子构成,两层具有不同的密度,另一种.双层靶由两种离子构成,两层具有不同的离子.二维PIC模拟结果显示:在双层靶辐射压力加速方案中,靶的弯曲和各种横向不稳定性得到了非常有效的抑制,在激光焦斑范围内的离子均得到了激光均匀和有效的辐射压力加速,从而产生了准直性好、发散度低的GeV/u单能离子束. 3.通过二维PIC粒子模拟和理论分析,研究了离子的荷质比对辐射压力加速机制中离子加速稳定性的影响.研究结果表明,对单一离子构成的薄膜靶,随着离子荷质比的减小,离子加速不稳定性的发展增快.在相对论极限下,具有低荷质比的离子将在辐射压力加速中经受强的不稳定性.因此,在单一离子构成的靶中,低荷质比离子将更不容易被加速到高的能量.而对两种离子构成的混合靶,如果两种离子具有不同的荷质比,则高荷质比的离子将运动到低荷质比离子的前面,从而形成了前层为紧凑的高荷质比离子层,后层为弥散的低荷质比离子层的分层结构.在这种分层结构中,低荷质比的离子层有效地缓冲了各种不稳定性对高荷质比离子层的影响,从而使高荷质比的离子得到了激光光压较为稳定的加速.但当混合靶中的两种离子具有几乎相同的荷质比时,则加速过程中将不会出现两种离子分层的结构,而且这两种离子在它们构成的混合靶中的加速行为以及不稳定性的发展与它们在单一离子构成的靶中的情形非常相似.另外,这里还提出了一种用氚离子和被加速离子构成的混合靶来实现某些低荷质比离子稳定加速的方案.