康普頓型自由電子激光中N光子散射的理論研究.pdf

1、自由電子激光自1977年誕生以來(lái)，在理論和實(shí)驗(yàn)上都得到了飛速的發(fā)展。光場(chǎng)與自由電子的相互作用是自由電子激光產(chǎn)生的核心問(wèn)題。隨著強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展，超強(qiáng)場(chǎng)等極端條件得以實(shí)現(xiàn)，在這些極端條件下，非線性現(xiàn)象明顯起來(lái)。多光子與自由電子的散射就是一種非線性現(xiàn)象，它是不同于通常的Compton散射的一種光場(chǎng)與自由電子相互作用的新機(jī)制，作用過(guò)程吸收多個(gè)光子，發(fā)射一個(gè)新光子。
　　本論文主要從兩種作用模型來(lái)研究康普頓型自由電子激光中的N光子散射問(wèn)題

2、:一是在光場(chǎng)強(qiáng)度還不是很強(qiáng)時(shí)，不考慮光場(chǎng)強(qiáng)度的n光子集團(tuán)模型，這一模型中n個(gè)光子全部被吸收，研究的方法是采用標(biāo)準(zhǔn)微擾論方法；二是計(jì)及光場(chǎng)強(qiáng)度的強(qiáng)場(chǎng)非線性作用，這一作用過(guò)程從光場(chǎng)中吸收部分光子，研究的方法是將光場(chǎng)看做外場(chǎng)的半經(jīng)典方法。
　　本論文從以上兩個(gè)模型出發(fā)，研究N光子散射的微分散射截面特性和能量轉(zhuǎn)化特性，采用Matlab編程，進(jìn)行數(shù)值分析。全文內(nèi)容共分五章:
　　第一章是緒論，介紹自由電子激光的發(fā)展歷程、當(dāng)前面臨的課題

3、以及應(yīng)用前景，概述多光子現(xiàn)象的發(fā)展及研究現(xiàn)狀，引出康普頓型自由電子激光中的N光子散射問(wèn)題。
　　第二章采用n光子集團(tuán)模型，探討 n光子集團(tuán) Compton散射的散射光頻率、電子能量變化及微分散射截面特性。利用標(biāo)準(zhǔn)微擾理論推導(dǎo)出電子靜止參考系下n光子集團(tuán) Compton散射的微分散射截面表達(dá)式，并得出雙光子集團(tuán) Compton散射的微分散射截面與散射角的具體關(guān)系。利用相對(duì)論變換，對(duì)實(shí)驗(yàn)室參考系下的雙光子集團(tuán) Compton散射的微分

4、散射截面和電子能量的平均變化值進(jìn)行數(shù)值分析。結(jié)果表明:一般來(lái)說(shuō)，n光子集團(tuán) Compton散射的散射光頻率、電子能量變化及微分散射截面都與方位角有關(guān)； n光子集團(tuán) Compton散射的微分散射截面與光子數(shù)密度的(n-1)次方成正比；對(duì)于高能電子的雙光子集團(tuán) Compton散射，給定電子能量時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)方向與光子入射方向的初始夾角存在一個(gè)最佳值使得在電子初始運(yùn)動(dòng)方向很小弧度的錐角范圍內(nèi)得到最大峰值強(qiáng)度的散射光，并且存在一個(gè)臨界值，如果初始

5、夾角大于這個(gè)臨界值則電子的能量轉(zhuǎn)化成光能，如果初始夾角小于這個(gè)臨界值則光場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化為電子的能量。
　　第三章介紹自由電子在外場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的量子電動(dòng)力學(xué)理論，并介紹處理電子在外場(chǎng)中發(fā)射光子問(wèn)題的半經(jīng)典方法。
　　第四章采用半經(jīng)典方法，分析圓極化強(qiáng)平面電磁波場(chǎng)中的n光子非線性Compton散射的電子能量變化及微分散射截面特性。數(shù)值分析低頻極限下的電子能量變化及微分散射截面的角分布情況，以及與光場(chǎng)強(qiáng)度、電子能量的關(guān)系，分析背散射(電

6、子與光子對(duì)撞的散射)的頻譜分布。結(jié)果表明:利用n光子非線性Compton散射產(chǎn)生短波光子，必須要選擇適當(dāng)?shù)墓鈭?chǎng)強(qiáng)度；對(duì)于給定電子能量、光場(chǎng)強(qiáng)度和吸收光子數(shù)的非線性Compton散射，也存在一個(gè)臨界值，如果初始夾角大于這個(gè)臨界值則電子的能量轉(zhuǎn)化成光能，如果初始夾角小于這個(gè)臨界值則光場(chǎng)的能量轉(zhuǎn)化為電子的能量。背散射譜的分布取決于散射前電子能量和光場(chǎng)強(qiáng)度的對(duì)比情況；對(duì)于雙光子情況，當(dāng)光場(chǎng)的歸一化強(qiáng)度遠(yuǎn)小于電子能量時(shí)得出的臨界值與第二章的結(jié)果一