专利摘要

本发明提供了一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，包括高斯激光发生器、微通道靶和光扇靶；所述高斯激光发生器产生高斯激光，并沿微通道靶轴线射入微通道靶；所述高斯激光将微通道靶壁的电子离化，形成涡旋结构的电子束，并在激光作用下得到加速；高斯激光在传输到微通道靶的尾端时照射到与入射激光的光轴及微通道靶的轴心垂直的光扇靶上，形成具有涡旋结构及角动量的反射激光；反射激光与微通道内的涡旋结构的电子束发生碰撞，电子束在激光电场作用下辐射产生涡旋γ光子束。本发明通过通道靶及光扇靶的结合，使得在现有激光技术条件下也可进行实验研究，为人们认识及操控微观粒子提供了新方向，具有重要的现实及科研意义。

权利要求

1.超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，

所述系统包括高斯激光发生器、微通道靶和光扇靶；

所述高斯激光发生器产生高斯激光，所述高斯激光沿所述微通道靶的轴线射入所述微通道靶；

所述高斯激光将微通道靶壁的电子离化，形成涡旋结构的电子束，并在激光作用下得到加速；

所述高斯激光在传输到微通道靶的尾端时照射到与微通道靶的轴线垂直的光扇靶上，形成具有涡旋结构及角动量的反射激光；

所述反射激光与微通道靶内的涡旋结构的电子束发生碰撞，电子束在激光电场作用下产生涡旋伽马光子束；

其中，所述光扇靶的厚度随围绕光扇靶轴心的角度变化而增大或者减小，所述光扇靶整体呈阶梯状，每级阶梯远离微通道靶的一面在同一平面上，靠近微通道靶的一面的位置随角度的变化而不同。

2.根据权利要求1所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，所述光扇靶分为n级阶梯，相邻每级阶梯厚度之差为λ/2n，其中，λ为高斯激光的波长，n为正整数且n≥4。

3.根据权利要求2所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，最小的阶梯厚度l满足

其中，ne为电子密度，a为归一化的激光电场振幅。

4.根据权利要求2所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，所述光扇靶分为8级阶梯，相邻每级阶梯厚度之差为λ/16，高斯激光的波长λ为1μm，最小的阶梯厚度为1μm。

5.根据权利要求1所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，所述涡旋伽马光子束的角动量随着所述光扇靶的阶梯阶数和旋转方向的改变而变化。

6.根据权利要求1所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，所述微通道靶及光扇靶均由碳离子、氢离子及电子构成，整体为电中性。

7.根据权利要求6所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，所述微通道靶及光扇靶中电子的密度均为200nc，nc为等离子体临界密度，碳离子和氢离子的比例均为1:4。

8.根据权利要求1所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，所述高斯激光为圆极化的高斯激光，激光强度为1021～1022W/cm2。

9.根据权利要求1所述的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，其特征在于，所述微通道靶为圆筒结构，微通道靶的内半径为2～4μm，所述微通道靶的厚度为0.8～1.2μm。

说明书

技术领域

本发明属于激光与等离子体技术领域，具体涉及超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统。

背景技术

X/γ-射线自从被发现以来就被广泛地应用于很多领域，例如：原子核物理、实验室天体物理、等离子体物理、放射肿瘤学、金属工业等。基于激光等离子体相互作用的γ射线源不同于传统加速器辐射源，具有脉宽短、亮度高和尺寸小的优点，在基础科研、医疗、工业等领域具有重要应用前景。涡旋伽马射线是在实验室条件下探究并模拟如黑洞或中子星等大质量天体不可或缺的工具。同时，通过引入γ光子角动量这一新自由度，为激光等离子体研究提供了新视角，打开了人们认识及操控微观粒子的新方向，有望在皮米和亚飞秒的时空尺度内对微观粒子动力学进行操控，提升对微观粒子动力学的认识。

近年来，关于强激光与等离子体相互作用产生涡旋γ光子束吸引了国内外学者的广泛关注。基于激光等离子体产生涡旋γ光子束的方案先后被提出，2016年，Liu等人提出利用一束圆极化拉盖尔-高斯激光照射薄靶产生携带有轨道角动量的高能γ射线光子束。在相互作用过程中，驱动涡旋激光的自旋角动量和轨道角动量首先传递给电子束，然后通过量子辐射传递给γ射线光子。2018年，朱兴龙等人提出采用一束圆极化拉盖尔-高斯激光脉冲与锥-平面靶相互作用来产生高亮阿秒γ射线脉冲列。在此过程中，涡旋激光的角动量通过非线性康普顿散射传递给γ光子。同时，来自德国海德堡马普所的Chen等人也通过具有涡旋特性的拉盖尔-高斯激光与固体靶相互作用触发高能电子的非线性康普顿散射，获得了涡旋伽马射线。然而绝大多数方案采用激光强度在1021W/cm2及以上的超强涡旋光作为驱动源，基于目前激光技术的发展，涡旋激光的最高强度仅达到1020W/cm2。因而，上述这些方案在实验实现方面还面临较大困难。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统。

为实现该目标，本发明所采用的技术方案是：

一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，所述系统包括高斯激光发生器、微通道靶和光扇靶；

所述高斯激光发生器产生高斯激光，所述高斯激光沿所述微通道靶的轴线射入所述微通道靶；

所述高斯激光将微通道靶壁的电子离化，形成涡旋结构的电子束，并在激光作用下得到加速；

所述高斯激光在传输到微通道靶的尾端时照射到与微通道靶的轴线垂直的光扇靶上，形成具有涡旋结构及角动量的反射激光；

所述反射激光与微通道靶内的涡旋结构的电子束发生碰撞，电子束在激光电场作用下产生涡旋伽马光子束。

进一步的，所述光扇靶的厚度随围绕光扇靶轴心的角度变化而增大或者减小，所述光扇靶整体呈阶梯状，每级阶梯远离微通道靶的一面在同一平面上，靠近微通道靶的一面的位置随角度的变化而不同。

进一步的，所述光扇靶设有n级阶梯，可分为n≥4级的阶梯，相邻每级阶梯厚度之差为λ/2n，其中，λ为高斯激光的波长，n为正整数且n≥4，为保证激光不会穿透光扇靶，

进一步的，最小的阶梯厚度l满足

其中，ne为电子密度， 为归一化的激光电场振幅，e为电子电荷量，A0为激光矢势的幅值，me为电子质量，c为真空中的光速。

进一步的，所述光扇靶分为8级阶梯，相邻每级阶梯厚度之差为λ/16，高斯激光的波长λ＝1μm，最小的阶梯厚度为1μm。

进一步的，所述涡旋伽马光子束的角动量随着所述光扇靶的阶梯阶数和旋转方向的改变而变化。

进一步的，所述微通道靶及光扇靶均由碳离子、氢离子及电子构成，整体为电中性。

进一步的，所述微通道靶及光扇靶中电子的密度均为200nc，nc为等离子体临界密度，碳离子和氢离子的比例均为1∶4。

进一步的，所述高斯激光为圆极化的高斯激光，激光强度为1021～1022W/cm2。

进一步的，所述微通道靶为圆筒结构，微通道靶的内半径为2～4μm，所述微通道靶的厚度为0.8～1.2μm。

与现有方案相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，通过采用微通道靶与光扇靶的结合，采用圆极化高斯激光即可产生携带有轨道角动量的γ光子束，采用的激光强度为1021～1022W/cm2，相比目前已经建成或正在建设的大型激光器的目标强度小。该系统通过微通道靶及光扇靶的结合，能够在现有激光技术条件下进行实验研究，产生具有空间尺寸小、发散度低、能量高且携带有高轨道角动量的涡旋伽马光子束。

2、本发明提供的一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统中，所采用的光扇靶整体呈阶梯状，所述光扇靶的厚度随围绕光扇靶轴心的角度变化而增大或者减小，通过改变光扇靶的旋转方向，可以显著调节反射激光的角动量。同时通过光扇靶的阶梯阶数及旋转方向的改变，改变反射激光，进而可以对产生的γ光子的角动量进行调节，为调节γ光子的角动量提供了一种新的方案。

3、采用本发明提供的一种超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，激光到γ光子的角动量转化效率可以达到0.67％，大幅提升了采用激光固体靶方案中的角动量转化效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明系统的三维结构示意图；

图2是本发明中光扇靶的侧视图，图中的色标给出了激光在正入射到光扇靶后被反射的相位变化；

图3是本发明中得到的微通道内电子束的能量密度等值面图及在(x-y，x-z，y-z)三个面上的切面图；

图4是本发明中电子(ηx，η⊥)相空间分布图；

图5是本发明中21 T0时刻电子动量在y-z平面的分布图；

图6是本发明中8 T0，16 T0，24 T0及30 T0时刻电子发散度示意图(Ne为电子数目)；

图7是本发明中8 T0，16 T0，24 T0及30 T0时刻电子能谱图(dN为能量区间内的电子数目)；

图8是本发明中反射激光Ey场在y-z平面的切面图；

图9是本发明中γ光子的密度等值面及在三个面上的切面图；

图10是本发明中19 T0，21 T0，23 T0及28 T0时刻光子能谱图(dN为能量区间内的光子数目)；

图11是本发明中19 T0，21 T0，23 T0及28 T0时刻光子发散度示意图(Nγ为光子数目)；

图12是本发明中γ光子的亮度(Bγ)，瞬时辐射功率(Pγ)，γ光子产额(Nγ)和γ光子总能量(Eγ)随时间的演化示意图(阴影覆盖区域为反射激光与涡旋电子束对撞过程)；

图13是本发明中电子(e-)、碳离子(C6+)、氢离子(H+)及激光(laser)的角动量随时间的演化示意图(阴影覆盖区域为反射激光与涡旋电子束对撞过程)；

图14是本发明中激光到电子(e-)、碳离子(C6+)、氢离子(H+)及γ光子(γ)能量转换效率随时间的演化示意图(阴影覆盖区域为反射激光与涡旋电子束对撞过程)；

图15是本发明中激光光子的平均角动量分别在左旋光扇靶(LH fan)、平板靶(plane)及右旋光扇靶(RH fan)情况下随时间的演化示意图(阴影覆盖区域为反射激光与涡旋电子束对撞过程)；

图16是本发明中激光光子的γ光子平均角动量分别在左旋光扇靶(LH fan)、平板靶(plane)及右旋光扇靶(RH fan)情况下随时间的演化示意图(阴影覆盖区域为反射激光与涡旋电子束对撞过程)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明提供了一种基于激光与等离子体相互作用的超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统，所述系统包括高斯激光发生器、微通道靶和光扇靶；所述微通道靶和光扇靶均设置在真空系统中；

所述高斯激光发生器产生高斯激光，所述高斯激光沿所述微通道靶的轴线射入所述微通道靶；

所述高斯激光将微通道靶壁的电子离化，形成涡旋结构的电子束，并在激光作用下得到加速；

所述高斯激光在传输到微通道靶的尾端时照射到与入射激光的光轴及微通道靶的轴线垂直的光扇靶上，形成具有涡旋结构及角动量的反射激光；

所述反射激光与微通道靶内的涡旋结构的电子束发生碰撞，电子束在激光电场作用下产生涡旋γ光子束。

本发明中的超强激光选择圆极化的高斯激光，激光强度为1021～1022W/cm2。

具体过程如图1所示，高斯激光发生器产生的一束圆极化高斯激光从左侧沿微通道靶的轴心入射到微通道靶内，超强的横向激光振荡电场将微通道靶壁的电子离化并从微通道靶内壁拉出，稠密的电子束在圆极化激光的横向电场作用下形成涡旋结构(如图3所示)。超强激光在微通道靶内形成的波导作用下会激发出一系列高阶模式，这些高阶模式相比基模的高斯激光具有较强的纵向电场，电子在纵向电场的作用下在纵向得到加速。在入射激光与电子相互作用中，激光将自身携带的自旋角动量传输给电子，转化为电子的轨道角动量。进而，激光在传输到微通道靶的尾端时照射到光扇靶上，由于光扇靶的特殊结构使得反射激光在不同角度的相位发生改变，进而具有涡旋形的波前结构及角动量，如图4所示。反射激光与微通道靶内的高能涡旋电子束发生碰撞，高能电子在激光电场作用下辐射出高能γ光子。由于γ光子的动量主要来自于辐射的电子，因而产生的γ光子束也具有涡旋结构并携带有角动量。

在一个实施例中，所述光扇靶的厚度随围绕光扇靶轴心的角度变化而增大或者减小，整体呈阶梯状，每级阶梯远离微通道靶的一面在同一平面上，靠近微通道靶的一面的位置随角度的变化而不同。所述光扇靶设有n级阶梯，可分为n≥4级的阶梯，相邻每级阶梯厚度之差为λ/2n，其中，λ为高斯激光的波长，n为正整数且n≥4。为保证激光不会穿透光扇靶，最小的阶梯厚度l满足 其中，ne为电子密度， 为归一化的激光电场振幅(e为电子电荷量，A0为激光矢势的幅值，me为电子质量，c为真空中的光速)。

优选的，所述光扇靶分为八个阶梯，每级阶梯的后表面所处位置相同，前表面随角度的变化而不同，如图2所示。图2中的色标给出了激光在正入射到扇靶后被反射的相位变化。相邻每级阶梯厚度之差为λ/16，高斯激光的波长λ为1μm，最小的阶梯厚度为1μm。本发明产生的涡旋γ光子束的角动量随着所述光扇靶的阶梯阶数和旋转方向的改变而变化。

在一个实施例中，所述微通道靶及光扇靶均由碳离子、氢离子及电子构成，整体为电中性。所述微通道靶及光扇靶中电子的密度均为200nc， 为等离子体临界密度，e为电子电荷量，me为电子质量，ωL为激光频率。碳离子和氢离子的比例均为1∶4。所述微通道靶为圆筒结构，微通道靶的内半径为2～4μm，所述微通道靶的厚度为0.8～1.2μm。

本发明提供了一种超强激光与微通道靶相互作用产生涡旋γ光子束的系统，包括高斯激光发生器、由碳和氢组成的微通道靶及设置在微通道靶尾端的光扇靶。高斯激光发生器产生的一束强度为1022W/cm2的圆极化高斯激光从通道左端入射，超强的振荡电场将电子从微通道靶内拉出形成涡旋状的电子束，并在激光作用下得到加速。激光传输到微通道靶尾端时照射在光扇靶上，反射时形成一束具有轨道角动量的涡旋激光，并与涡旋电子束碰撞产生涡旋γ光子束。本发明通过微通道靶及光扇靶的结合，采用强度为1022W/cm2的圆极化激光，使得在现有激光技术条件下也可进行实验研究，同时通过光扇靶的旋转方向的旋转，可以有效改变反射激光的角动量，进而对光子束的角动量进行调节，为人们认识及操控微观粒子提供了新方向，具有重要的现实及科研意义。

以下结合具体实施例，对本发明方案进行详细说明和解释。

本实施例中，高斯激光发生器产生采用一束圆极化的高斯激光，激光强度为1022W/cm2，激光波长为λ＝1μm，焦斑半径为3μm，时间构型为高斯型，脉宽为10 T0，T0＝c/λ为激光周期，c为真空中的光速。微通道靶及光扇靶均由碳离子(C6+)、氢离子(H+)及电子(e-)构成，整体保持电中性。靶中电子的密度为200nc，碳离子和氢离子的比例为1∶4。微通道靶的内半径为3μm，微通道靶的厚度为1μm。光扇靶分为8级阶梯，每级阶梯厚度变化为λ/16，阶梯厚度最小的为1μm。

本实施例中采用的模拟软件为开源粒子模拟程序EPOCH，采用全三维模拟，模拟盒子为40λ(x)×12λ(y)×12λ(z)，模拟网格划分为2000×300×300，每个网格内设置9个模拟粒子。模拟软件中，QED(量子电动力学)模块可以包括通过蒙特卡罗算法模拟光子发射、辐射阻尼效应以及等离子体和光子发射过程之间的反馈，但忽略了自旋极化的影响。

如图1所示，当一束圆极化激光入射到微通道靶内时，超强的激光电场会将微通道靶内壁的电子离化并从靶壁拉出，形成如图3所示的涡旋形的电子束。当激光在微通道靶内传输时，微通道靶对激光的作用近似于圆柱形波导，使得激光产生一系列的高阶模式，这些高阶模式相比基模的高斯激光具有较强的纵向电场，电子在纵向电场的作用下在纵向得到加速。为验证这一点，我们对一部分电子进行轨迹跟踪，并分析了纵向(ηx)以及横向(η⊥)电场分别对电子加速的贡献。

其中，ηx为电子从纵向电场中的能量收益，η⊥为电子从横向电场中的能量收益，γ(t)＝γ(0)+ηx+η⊥为电子能量。如图4所示，大部分电子能量主要由纵向电场加速，而横向电场对电子的加速是十分有限的。同时，伴随加速过程，激光携带的自旋角动量也传递为了电子的自旋角动量。如图5所示，电子的横向动量围绕微通道靶的轴心呈逆时针运动。如图6及图7所示，通道内的涡旋电子束的最高能量可达240MeV，发散角只有5.7°，电量为nC。

当激光运动到微通道靶的尾端时，激光照射在光扇靶上并沿微通道靶轴心反方向反射。由于光扇靶的前表面的阶梯状的结构使得不同角度的反射激光的相位改变不同，因而具有如图1及图8所示的涡旋结构并具有轨道角动量。

当反射的涡旋激光与微通道靶内的涡旋电子束对撞时，高能的涡旋电子束在反射激光的作用下辐射出高能γ射线。如图9-11所示，产生的γ射线具有涡旋结构，最高能量可达80MeV，发散角约为9°。如图12所示，能量为1MeV的光子亮度为1022photons/s/mm2/mrad2/0.1％BW，最大瞬时辐射功率可达25TW。

图13展示了整个过程中电子、氢离子、碳离子、γ光子以及激光角动量随时间的演化。当入射激光进入微通道靶中，通道内的电子及离子的角动量开始增加。当反射激光与涡旋电子束对撞并产生γ光子束时，γ光子的角动量开始不断增加。如图13-14所示，最终激光到γ光子的角动量转化效率为0.67％，能量转换效率约为1.2％。

为验证光扇靶的旋转方向对γ光子束角动量的调节，本实例还改变了光扇靶的旋转方向，将光扇靶分别替换为平板靶以及右旋光扇靶。根据公式 其中∈0∫r×(E×B)dv为激光总角动量， 为激光总能量，ω0为激光圆频率，l为激光光子的轨道角动量，σ为激光光子的自旋角动量， 为普朗克常数。

由于本实例采用的入射激光为左旋圆极化激光，入射激光每个光子携带有 的自旋角动量。图15展示了三种情况下的反射激光的平均光子携带的角动量。当激光在通道内传输时，平均每个光子的角动量保持在 左右，当激光被反射后，左旋光扇靶反射的激光光子平均角动量为 而平板靶和右旋光扇靶的情况下则分别为 和 这说明通过改变光扇靶的旋转方向可以有效改变反射激光携带的角动量。反射激光的角动量不同进而可以改变γ光子束的角动量，图16展示了三种情况的γ光子携带的平均角动量。左旋光扇靶情况下，γ光子束的平均角动量相比平板靶及右旋光扇靶情况下高16％。

本发明通过采用圆极化高斯激光与微通道靶及光扇靶相互作用，最终能够得到一束呈涡旋分布，能量为1MeV的光子亮度为1022photons/s/mm2/mrad2/0.1％BW，平均每个γ光子携带的角动量为 激光到γ光子的角动量转化效率为0.67％。同时通过改变光扇靶的旋转方向，可以有效改变反射激光的角动量，进而对γ光子的平均角动量进行调节。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

超强激光驱动微通道靶产生涡旋伽马光子束的系统专利购买费用说明

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1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。