激光驱动等离子体膨胀中的能量分配：从相对论强度激光到快离子的能量转换机制研究

本综述通过理论模型与PIC模拟相结合，系统研究了kJ级皮秒激光与箔靶相互作用中快电子与快离子的能量分配机制。研究揭示了非等温等离子体膨胀过程中能量分配的稳态特性，建立了包含电子温度时变效应（Te）与动量空间维度（N）的定量模型，为优化靶向离子加速（TNSA）效率提供了关键理论依据。

　　

理论模型构建

研究团队基于非等温等离子体膨胀理论，建立了描述kJ级皮秒激光与箔靶相互作用的物理模型。当激光强度达到相对论强度（a₀>1）时，靶材表面电子在激光场作用下被加速形成快电子群，这些电子在过密等离子体中产生鞘场，进而驱动离子加速并引发准中性等离子体膨胀。该过程的时间尺度由离子等离子体频率（ω_pi）决定，对于波长1μm的激光，临界密度处的氘离子等离子体周期约为200飞秒。

研究首次引入了动量空间自由度参数N（1D分布时N=1，3D各向同性分布时N=3）和电子温度时变参数ε，推导出膨胀过程中离子动能密度U_i(t)和电子内能密度U_e(t)的解析表达式。理论分析表明，当膨胀前沿位置与尺度长度比x_f/R?5时，能量分配会达到稳态，该条件对应的时间尺度约为1.2皮秒。

一维PIC模拟验证

通过一维PIC模拟（无库仑碰撞）验证理论模型。模拟设置：氘箔厚度5μm，初始密度233n_c，激光波长1μm，归一化振幅a₀=2，上升时间70fs。结果显示电子能量分布呈现明显的一维特征（p_y?p_x），对应N=1情况。

模拟数据揭示关键动力学特征：

• •
  电子平均能量E_av与斜率温度T_e满足T_e=2E_av/N的关系
• •
  小参数ε始终小于0.3，满足理论模型的适用条件
• •
  在t=4.5ps时，离子能量占比收敛至40%，与理论预测值高度吻合

特别值得注意的是，前后表面的膨胀不对称性导致前表面离子能量占比（39%）低于后表面（61%），这反映了实际实验中可能存在的边界效应。

二维PIC模拟与多维效应

二维模拟引入了更真实的实验条件：包含库仑碰撞，靶材结构为氘箔（3.4μm，103n_c）+氢污染层（100nm，100n_c），激光 spot 半径25μm，峰值振幅a₀=1.6。

多维效应显著改变能量分配格局：

• •
  电子动量分布呈现三维特征但非完全各向同性，等效自由度N=2.66
• •
  电子温度演化符合T_e=T₀[1+((t-t₀)/τ)^α]规律，其中α=0.5
• •
  小参数ε在模拟后期稳定在0.19左右
• •
  最终离子能量占比为33%，略低于理论值（37%）

这种差异主要源于多维膨胀导致的横向能量损失以及等离子体表面调制引起的额外能量吸收。

能量转换效率与应用前景

研究最终建立了激光到离子的能量转换效率预测模型：η_i=(η_ab/2)×(U_i/U)。对于三维情况（N=3），最大转换效率为吸收能量的20%。在二维模拟中，实际测得的总质子能量转换效率为4.6%，与理论预测值3.8%相差17%，在可接受误差范围内。

该研究对激光驱动离子加速应用具有重要指导意义：

1. 1.
   为kJ级激光装置的质子束能量优化提供理论依据
2. 2.
   揭示了皮秒量级激光脉冲中能量分配的时间演化规律
3. 3.
   证明了多维效应对最终能量分配的显著影响
4. 4.
   为惯性约束聚变（ICF）中的快速点火方案提供参数设计参考

研究结果表明，通过控制激光参数和靶材结构调控电子动量分布维度N和温度演化参数ε，可以有效优化激光到离子的能量转换效率，这对发展基于激光加速器的离子束应用具有重要价值。