超短超強圓偏振激光對電子的加速研究.pdf

1、超短超強激光技術(shù)的迅速發(fā)展為激光與物質(zhì)相互作用領(lǐng)域的研究提供了前所未有的全新實驗手段與極端物理條件，極大地推動了本領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的深入開展.超短超強激光通常是指脈沖寬度處于皮秒（10-12秒）與飛秒（10-15秒）之間、聚焦強度可達1018W cm-2以上的激光，其相應(yīng)的局域電場可以達到1010V cm-1以上，已大于氫原子中第一玻爾半徑軌道上電子受到的庫倫場（約為109V cm-1）。這樣的激光與物質(zhì)相互作用最終表現(xiàn)為超強超短

2、激光與等離子體的相互作用。在該過程中，超強激光加速高能粒子一直是近些年國際上的研究熱點.一方面，相對論電子束的產(chǎn)生、加速和準直是慣性約束核聚變(ICF)電子束“快點火”物理方案的重要課題。該方案可以分為三個階段，第一階段是靶丸壓縮階段，第二階段為相對論電子束的產(chǎn)生階段，第三階段是相對論電子束在高密度等離子體中輸運并在芯區(qū)邊緣沉積能量形成點火熱斑的階段.由于點火熱斑的尺度約為二十微米左右，即α粒子射程，所以客觀上要求產(chǎn)生準直性非常好的相對

3、論電子束.另一方面，由于高能粒子物理的研究對傳統(tǒng)高能粒子加速器的輸出能量要求增長很快，導(dǎo)致加速器的規(guī)模和建造費用相應(yīng)大增。而超強激光加速粒子具有加速梯度大的優(yōu)點，為了進一步提高輸出能量和減少成本，對新型臺式高能粒子加速器的研究便引起人們的廣泛興趣.這不僅表現(xiàn)在對激光-等離子體加速的研究，同時引起人們對激光真空粒子加速研究的重視。此外，激光加速粒子在醫(yī)療、診斷、工業(yè)加工以及對探索天體物理中的粒子加速機制有廣泛的應(yīng)用前景.
　　對激光

4、加速粒子的研究主要集中在加速機制探討和準單能粒子束的產(chǎn)生問題上，本論文將圍繞這些問題重點開展了兩方面的研究工作，即對超強超短激光與低密度等離子體相互作用中電子的Betatron共振加速問題和緊聚焦超強超短激光對注入的自由電子束的加速問題進行了理論分析和相應(yīng)的數(shù)值計算.具體包括:
　　1.研究了圓偏振強激光與低密度等離子體相互作用過程中等離子體通道內(nèi)電子的Betatron共振加速問題。前人提出了等離子體通道內(nèi)電子的Betatron共

5、振的概念，給出了電子Betatron共振的條件，并對線偏振激光與等離子體相互作用時電子的共振行為作了較詳細的討論。本論文從理論分析和數(shù)值計算兩個角度分析了圓偏振激光和等離子體作用中電子的共振行為，數(shù)值上，從激光和電子鎖相的角度驗證了電子的共振條件。特別指出，與線偏振情況相比，由于圓偏振情況下通道內(nèi)電子受到環(huán)向磁場的箍縮和軸向磁場的導(dǎo)向的聯(lián)合作用，共振電子束具有很好的準直特性。
　　2.提出了利用緩慢衰減等離子體與強激光相互作用來加

6、強電子共振能量獲得的新方法。我們已經(jīng)知道，當共振發(fā)生時，電子可以直接有效地從激光獲得很大能量。但是由于相對論效應(yīng)，電子的Betatron振蕩頻率ωb迅速變小，其與電子感受到的激光頻率也很快失配，導(dǎo)致共振結(jié)束。而在等離子體密度衰減情況下，激光傳播的相速度vph變小，也使得電子感受到的激光頻率ω0(1-vz/vph)相應(yīng)減小，這樣該頻率與電子的Betatron振蕩頻率ωb可能匹配更長時間，從而導(dǎo)致電子獲得的能量大大增加。我們已從從理論上研究

7、了這一新方案，并利用試驗粒子模型分析了實現(xiàn)上述想法得可能性。
　　3.提出用軸向注入電子束與緊聚焦圓偏振強激光相互作用來獲得單能電子束的新方案。前人的工作已經(jīng)推導(dǎo)出了緊聚焦線偏振激光的五階場模型，并且證明了該模型對側(cè)向注入電子受到緊聚焦強激光場作用的動力學行為的必要性和有效性，指出拍瓦激光會加速電子到GeV以上能量。本工作在前人方法的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了完整的圓偏振激光的五階場模型，并對側(cè)向注入電子束被兩種偏振激光散射后的束散射角和能散度

8、分析發(fā)現(xiàn)，兩種情況的散射角和能散度都很大.本工作中提出利用軸向?qū)ΨQ注入到圓偏振激光從而獲得單能電子束的方案，并且數(shù)值上驗證了該方案的有效性.
　　4.在對上述單個緊聚焦激光脈沖加速電子研究工作的基礎(chǔ)上，進一步討論兩束緊聚焦圓偏振激光的拍頻效應(yīng)對注入電子束加速的影響.數(shù)值計算結(jié)果表明，在相同的注入條件下，兩束激光的拍頻效應(yīng)可以提高注入電子束獲得的能量。同時由于保證了對稱注入和圓偏振激光這兩個關(guān)鍵因素，被加速的電子束的也獲得了很好的束