研究背景

双束强激光对射超薄靶具有丰富的应用场景，例如产生少周期激光脉冲和太赫兹辐射、稠密正负电子对和伽马射线、以及短脉冲中子源。在双束对射激光与超薄靶相互作用过程中，超薄靶的两个表面同时受到激光光压作用，靶在两束激光的共同作用下呈现出较为复杂的运动特征。另外，超薄靶在被压缩的过程中会出现相对论自诱导透明现象，导致动力学行为更加复杂。超薄靶的动力学行为会影响产生辐射的特性，亟需开展深入研究。早在2001年，沈百飞教授就建立了一维稳态解模型来研究双束激光对射超薄靶过程。然而，受限于当时的计算条件，该工作仅在一维模拟环境中研究了两束相同旋转方向的圆偏振激光情况，且并未考虑横向不稳定性的影响。

在激光光压加速(Radiation-pressure acceleration, RPA)方案中，强激光推动超薄靶向前运动，相当于轻的光流体推动重流体向前加速。该过程中横向不稳定性的出现会导致靶破裂，进而终止离子加速过程，因此备受关注。类似于RPA方案，双束对射激光与超薄靶相互作用过程中也会出现横向不稳定性现象，而且会严重影响相互作用过程及产生辐射的品质。目前，双束激光对射超薄靶中横向不稳定性的特征和演化规律尚未得到系统研究。

超薄靶的动力学行为

近日，国防科技大学余同普教授、邹德滨副教授团队结合理论分析和全三维数值模拟，系统研究了不同激光偏振组合和相位差下，双束对射激光与超薄靶相互作用动力学和横向不稳定性。建立了双束对射激光合成场理论模型，研究表明，在相对论自诱导透明情况下，超薄靶的横向密度调制由合成场的偏振情况和振幅决定，纵向运动特征由合成场的强度分布决定。结合相对论双流体理论模型和数值模拟，发现两束旋转方向相同的圆偏振激光对射超薄靶中的横向不稳定性由瑞利-泰勒不稳定性主导，不稳定性最大增长率与激光强度正相关。通过改变双束激光的偏振方向和相对相位差，能够有效调控超薄靶中的横向不稳定性。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering2025年第1期（Xiangrui Jiang, Debin Zou, Mingyang Yu, Kaiyuan Feng, Xiaohu Yang, Huanwen Chen, Lixiang Hu, Weiquan Wang, Guobo Zhang, Fuqiu Shao, Wenhui Tang, Tongpu Yu, "Interaction of a counter-propagating relativistic laser pair with subwavelength thin solid-density foil," High Power Laser Sci. Eng. 13, 010000e9 (2025)）

图1给出了四种激光偏振组合(yLP和zLP分别代表y方向和z方向的线偏振激光，LCP和RCP分别代表左旋和右旋圆偏振激光)和相位差∆φ下，超薄靶密度随时间演化。靶在横向上(a4-d4，a5-d5)出现了剧烈密度调制，调制特征由合成场的偏振情况和振幅(a5-d5中带箭头的红线)决定，合成场为线偏振对应沿偏振方向的丝状条纹分布，合成场为圆偏振对应角向均匀分布且出现颗粒状气泡结构。靶在纵向上先被压缩随后膨胀，还可能向一侧偏移。靶的纵向运动由合成场的强度分布决定，当合成场的纵向强度分布在靶位置处的斜率不为零时，靶会出现纵向偏移，偏移距离与合成场纵向有质动力的冲量正相关，如图2所示。对于两束相同偏振方向的线偏振激光组合或者两束相同旋转方向的圆偏振激光组合，当相位差为0.5π和1.5π时，超薄靶在纵向上发生了向右和向左移动。

图1超薄靶密度随时间演化

图2合成场强度纵向分布、有质动力冲量和靶纵向偏移距离与相位差关系

超薄靶的横向不稳定性

从超薄靶密度分布中可以看出，在双束对射激光作用下超薄靶中出现了明显的横向不稳定性。结合相对论双流体理论模型和双束对射激光合成场理论模型，理论计算了超薄靶中横向不稳定性的最快增长模式和最大增长率，并与模拟结果对比。图3分别给出了电子温度、超薄靶中横向不稳定性最快增长模式和最大增长率与光强的关系。结果表明，瑞利-泰勒不稳定性是双束激光对射超薄靶中横向不稳定性的主导机制，最大增长率与激光强度正相关，相位差为π时不稳定性发展最慢，靶被压缩最为紧密。通过改变双束激光的偏振方向和相对相位差，能够有效调控超薄靶中的横向不稳定性。

图3a-c超薄靶中电子温度与光强的关系；d-f横向不稳定性最快增长模式和最大增长率与光强的关系

总结与展望

本工作揭示了双束对射激光与超薄靶相互作用动力学和横向不稳定性的特征、发展规律以及背后的物理原因，研究成果可为双束激光驱动高亮伽马射线辐射、稠密正负电子对和短脉冲中子源的产生提供理论参考。

团队介绍

通讯作者：邹德滨，国防科技大学理学院副教授、硕士生导师。主要从事激光等离子体相互作用物理研究，主持国家重大专项课题、国家自然科学基金、湖南省自然科学基金优秀青年基金等10余项项目，发表学术论文80余篇，获军队科技进步二等奖、全军优秀博士学位论文等奖励，担任湖南省核学会理事、Eur. Phys. J和Front. Phys.杂志客座主编以及Commun. Phys.等20余种期刊审稿人。

第一作者：蒋祥瑞，国防科技大学博士研究生。主要从事激光等离子体相互作用物理研究，发表SCI论文13篇，其中以第一/通讯作者身份在Nucl. Fusion、High Power Laser Science and Engineering等中科院一区/TOP期刊发表SCI论文5篇，授权/申请国家发明专利4项、软件著作权1项，获评全军优秀硕士学位论文，主持湖南省研究生科研项目1项，担任SCI期刊Opt. Express、Phys. Scr.和Appl. Opt.审稿人。