真空中激光傳輸及其加速電子研究.pdf

1、近年來，隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)的快速發(fā)展，新型強(qiáng)激光電子加速器已成為強(qiáng)場物理研究熱點(diǎn)之一。作為激光加速電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)，激光傳輸理論和激光加速機(jī)制的研究已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。
　　 激光加速電子的最終目的是將電子加速到GeV甚至TeV的能量，這需要采用超強(qiáng)激光束。在實(shí)驗(yàn)室中，為了獲得超強(qiáng)激光束，需要將激光束聚焦到很小尺寸（約幾個微米），這時(shí)，激光電磁場的傍軸描述就不再準(zhǔn)確，必須采用非傍軸描述。本文分別給出了非傍軸條件下高斯光

2、束電磁場的角譜表示、Lax級數(shù)表示、Weniger變換表示、傅里葉-貝塞爾級數(shù)表示和Chaumet級數(shù)表示，并對上述幾種場表示方法的適用范圍進(jìn)行了研究和討論。Lax級數(shù)方法能夠很好的表征焦點(diǎn)區(qū)域高斯光束的電磁場性質(zhì)，然而，Lax級數(shù)具有發(fā)散的屬性，并且，這種發(fā)散性隨著聚焦半徑的減小會愈發(fā)嚴(yán)重。Weniger變換方法可以有效的消除Lax級數(shù)的發(fā)散性，并且，隨著修正階數(shù)的增加Weniger變換表示變得更加準(zhǔn)確。基于高斯光束電磁場角譜表示，本

3、文提出了傅里葉-貝塞爾級數(shù)表示，并且和同樣源于角譜表示的Chaumet級數(shù)表示進(jìn)行了比較。Chaumet級數(shù)表示只在焦點(diǎn)區(qū)域有效，而傅里葉-貝塞爾級數(shù)表示在全空間都有效。
　　 在真空緊聚焦高斯光束加速電子的研究方面，本文首次證實(shí)了在多數(shù)情況下采用電磁場Lax級數(shù)表示的模擬計(jì)算結(jié)果存在較大的數(shù)值誤差，而采用Weniger變換表示模擬可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。在線性偏振高斯光束加速電子研究方面，本文模擬和分析了反射、透射、外入射俘獲和內(nèi)

4、入射俘獲情況下電子在強(qiáng)激光場中的動力學(xué)性質(zhì)。此外，研究發(fā)現(xiàn)橫向電場對電子能量增益至關(guān)重要。只有當(dāng)電子被橫向場俘獲后，才能被加速到較高能量。在徑向偏振高斯光束加速電子研究方面，由于電磁場Lax級數(shù)表示的發(fā)散性，只有對電子初始位置在束腰半徑以內(nèi)、出射角很小并且電子初始能量也較小的情況下才可以采用Lax級數(shù)表示來模擬。在絕大多數(shù)情況下，Lax級數(shù)表示不再適用，必須采用Weniger變換表示來進(jìn)行模擬。此外，電子從焦點(diǎn)沿著光軸出射時(shí)，電子能獲得

5、最高能量。電磁場初始相位對電子能量增益影響很大，但是，電子初始能量對電子能量增益幾乎沒有影響。
　　 本文首次研究了真空緊聚焦啁啾高斯激光脈沖加速電子機(jī)制和附加橫向靜磁場引起的電子連續(xù)加速機(jī)制。通過引入合適的頻率啁啾能夠使電子更長時(shí)間的處于加速位相，從而獲得更高的能量增益。和松聚焦情況相比，緊聚焦激光脈沖擁有更高的峰值光強(qiáng)，從而可以將電子加速到更高的能量。在模擬研究緊聚焦啁啾高斯激光脈沖加速電子時(shí)，電磁場必須要采用非傍軸表示。電

6、子初始位置位于激光脈沖前端更容易獲取高能量，另外，電子能量增益隨電子初始縱向速度、激光光強(qiáng)和脈沖寬度的增加而近似線性增長，隨電磁場位相呈周期變化。附加橫向靜磁場在啁啾高斯激光脈沖加速電子過程中對電子能量增益有重要貢獻(xiàn)。利用合適強(qiáng)度的橫向靜磁場可以將被首次加速后且逐漸遠(yuǎn)離強(qiáng)場區(qū)的電子重新拉回強(qiáng)場區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)電子的二次加速并獲取了更高的能量增益。在存在附加橫向靜磁場的情況下電磁場初始位相和電子初始能量對電子能量增益都有重要影響。
　　

7、 通過對真空中Airy巧光束電磁場傳輸性質(zhì)的研究，本文首次提出了基于Airy光束加速電子方案。由于Airy巧光束的橫向自加速性，一維Airy光束電磁場在傳播軸附近形成了一條“非對稱場通道”。在“非對稱場通道”內(nèi)，電磁場橫向不對稱，強(qiáng)度幾乎不隨衰減因子的變化而改變，并且，電磁場位相變化較緩慢。當(dāng)電子進(jìn)入到“非對稱場通道”后，電子能夠被通道內(nèi)電磁場俘獲并持續(xù)加速到很高能量。對于俘獲情況，電場橫向分量和縱向分量都為電子能量增益提供了重要貢獻(xiàn)

8、，而對于反射情況，只有電場橫向分量為電子能量增益做了重要貢獻(xiàn)。此外，電子能量增益不會隨衰減因子的增加而減小；具有較大入射能量和較小入射角的電子更容易獲得高能量增益。
　　 本文首次提出了真空中交叉Airy光束加速電子機(jī)制。根據(jù)Airy光束相對位置和橫向加速特性，本文設(shè)計(jì)了“面對面”式和“背對背刀式交叉機(jī)制。這兩種交叉機(jī)制的臨界狀態(tài)稱為“零距離”交叉機(jī)制。對于一維交叉Airy光束，在交叉軸上，橫向電磁場分量相互抵消，縱向電場分量相

9、互疊加。由于干涉原因，“面對面”交叉機(jī)制可以在傳播軸上形成兩個強(qiáng)電磁場區(qū)，“背對背”交叉機(jī)制在傳播軸上只形成一個強(qiáng)電磁場區(qū)。對于每種交叉機(jī)制，光束偏轉(zhuǎn)角控制了激光強(qiáng)場區(qū)的分布。電子沿著交叉軸入射，可以避免橫向電磁場的干擾，只受到縱向電場的作用。相比于“零距離”和“背對背”交叉機(jī)制，“面對面”交叉機(jī)制可以連續(xù)二次加速電子，從而使電子獲得更高的能量增益。和具有相同總功率單——維Airy光束相比，交叉一維Airy光束能夠在更短的距離內(nèi)將電子加

10、速到更高的能量。此外，光束具有較小非零偏轉(zhuǎn)角和電子具有較大入射能量都有利于電子獲取較高能量增益，并且，電磁場初始位相對電子能量增益影響也很大。本文還研究了雙交叉和四交叉二維Airy光束傳輸性質(zhì)。通過控制光束交叉機(jī)制和光束相對距離，可以得到不同的規(guī)律性光強(qiáng)干涉分布。
　　 本論文的研究在一定程度上豐富和完善了有關(guān)真空中激光傳輸和強(qiáng)激光加速電子的研究，尤其是Airy光束加速電子方案的提出，對無衍射光束加速電子機(jī)制的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)