磁化等离子体透镜实现激光脉冲聚焦与高能电子束产生新机制

《Journal of Plasma Physics》：Laser pulse focusing and energetic electron generation by magnetised plasma lens

本文报道了一种利用非均匀磁场中的整形欠密度等离子体靶实现高效激光脉冲聚焦的新机制。研究人员通过二维粒子模拟（PIC）发现，发散磁场剖面能横向压缩电磁波脉冲，凸面等离子体透镜与磁场协同作用可显著增强右旋圆偏振（RCP）波的聚焦效果，并在电子回旋共振（ECR）层附近产生定向高能电子束。该方案为非相对论强度激光的紧凑聚焦和可控电子束生成提供了新思路，对激光等离子体加速器、惯性约束聚变等领域具有重要应用价值。

　　

在激光等离子体相互作用研究中，如何实现高强度激光脉冲的有效聚焦是一个核心挑战。在真空中，高强激光仅能在几个瑞利长度内无衍射传播。虽然相对论自聚焦可在过密等离子体中实现，但该过程对激光强度要求苛刻（功率需超过临界功率P_c），且在非相对论强度或功率不足时效率低下。传统自聚焦还存在参数过程（如拉曼背向散射）导致的能量损失问题。近年来，磁化等离子体中强激光脉冲的相互作用引起了广泛关注。尽管激光频率较高，需要极强磁场才能使其在等离子体中产生磁化响应，但对于低频率CO₂激光或吉瓦级高功率微波脉冲，千特斯拉量级磁场的实验室产生已成为可能，这为探索非线性区间的电磁波与磁化等离子体相互作用提供了条件。

在此背景下，发表于《Journal of Plasma Physics》的这项研究提出了一种新方案：利用磁化等离子体透镜实现激光脉冲的高效聚焦和高能电子束产生。研究人员通过二维粒子模拟（PIC）平台OSIRIS 4.0，系统比较了磁化等离子体透镜、非磁化透镜和磁化等离子体平板三种构型下电磁波的传输特性。研究发现，当线性偏振电磁波脉冲在轴向发散的非均匀磁场中传播时，会分解为右旋圆偏振（RCP）和左旋圆偏振（LCP）波。其中，RCP波在磁化等离子体透镜中展现出强烈的自聚焦效应，而LCP波则呈现发散趋势。进一步分析表明，等离子体透镜的曲率与磁场梯度共同决定了聚焦效果，凸面形状（曲率参数c₀>0）可提供附加的聚焦能力。当磁场梯度调整使电子回旋共振（ECR）层位于等离子体内部时，聚焦的电磁波能量在共振点附近被高效吸收，转化为电子动能，产生准直的高能电子束，能量转换效率可达约80%。

为阐明机制，研究者基于源相关展开方法推导了激光光斑尺寸演化方程，指出RCP波的临界功率P_c远低于LCP波，使得非相对论强度激光（归一化矢量势a₀=0.08）也能在磁化透镜中实现聚焦。模拟结果显示，最佳构型（c₀=0.005）下，RCP波光斑尺寸可缩小至初始值的约1/3.5，强度提升近三倍。此外，通过调控磁场剖面参数δ，可精确控制ECR位置，从而实现电子束的定向发射。

本研究主要依托粒子模拟（PIC）技术，在二维笛卡尔几何中模拟了均匀欠密度等离子体（n₀=0.69n_cr）与电磁波（ω_EM=1.2ω_pe）的相互作用。模拟参数以等离子体频率ω_pe和特征长度l_N=c/ω_pe为基准进行归一化，空间分辨率设为0.1c/ω_pe，时间步长为0.02ω_pe^-1。外部磁场设为随空间变化的发散剖面，以满足?·B_ext=0。研究对比了不同等离子体几何形状（透镜与平板）和磁场配置（磁化与非磁化）下的波传播动力学与粒子加速特性。

磁场诱导聚焦

研究发现，线性偏振入射波在磁化等离子体透镜中会解耦为RCP和LCP模式。RCP波（慢波）在横向受到压缩，光斑尺寸显著减小；而LCP波（快波）则快速相移并发散。与非磁化透镜（无聚焦）和磁化平板（弱聚焦）相比，磁化透镜对RCP波的聚焦效果最为显著，电磁场能量密度在焦点处增强约两倍。光斑尺寸演化分析显示，聚焦程度随等离子体透镜曲率增加而增强，凸面形状（c₀>0）可诱导光束呈二次方收缩，而平板构型（c₀=0）仅呈现线性收敛。

透镜曲率对聚焦的影响

通过改变透镜曲率参数（c₀=0~0.007），研究证实聚焦效应随曲率增加而增强。当c₀=0.007时，光斑在等离子体内达到极小值，且尺寸演化符合二次多项式规律。曲率与聚焦系数a₂呈线性关系，表明等离子体界面形状是调控聚焦性能的关键参数之一。

磁场梯度诱导的聚焦电子束产生

当磁场梯度增大（δ=0.02）使ECR层位于等离子体边缘时，RCP波在共振点附近被强烈吸收。电磁场能量在x_ECR处急剧下降，同时电子动能显著增加，能量转换效率达80%。产生的电子束在早期沿激光轴定向传播，最大能量达0.4 MeV（对应a₀=0.08）。随时间演化，电子受外部磁场影响在垂直方向发散，形成双束结构。

不同磁场剖面的聚焦效果比较

研究还对比了线性衰减、指数衰减和均匀磁场下的聚焦行为。结果表明，磁场梯度越大，聚焦能力越强。即使对于均匀磁场，凸面等离子体透镜仍能凭借其几何形状产生一定的聚焦效果，但强度提升远不及梯度磁场案例。

该研究通过粒子模拟和理论分析，证实了非均匀磁场与整形等离子体透镜结合可有效聚焦非相对论强度激光脉冲，并在ECR点附近产生高能电子束。这种磁化等离子体透镜方案突破了传统自聚焦对激光强度的限制，为低能耗、紧凑型激光聚焦和电子加速提供了新途径。在实验可行性方面，研究指出低密度泡沫靶（n_e~5×10¹⁹cm^-3）与千特斯拉级脉冲磁场的组合已在实验室条件下可实现，为后续应用奠定了技术基础。该机制在激光等离子体加速器、惯性约束聚变和辐射源开发等领域具有广阔应用前景。