真空激光遠(yuǎn)場(chǎng)電子加速機(jī)制中相關(guān)光學(xué)問題的研究.pdf

1、近年來(lái)，得益于固體激光器技術(shù)和啁啾脈沖放大技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)能夠產(chǎn)生脈沖峰值功率達(dá)到PW量級(jí)，聚焦光強(qiáng)達(dá)到10<'22>W/cm<'2>的超強(qiáng)超短脈沖光束。由于其具有高出傳統(tǒng)加速器百萬(wàn)倍的高強(qiáng)度電場(chǎng)，利用強(qiáng)激光中的超強(qiáng)電磁場(chǎng)加速電子，進(jìn)而發(fā)展新一代小型化高能加速器已受到人們的普遍關(guān)注。由于超強(qiáng)超短脈沖激光場(chǎng)具有功率高、功率密度大、與物質(zhì)相互作用時(shí)間短、光束衍射效應(yīng)以及光束空間時(shí)間分布耦合復(fù)雜、光束質(zhì)量難于控制等特點(diǎn)，在將其應(yīng)用于電子加

2、速時(shí)，強(qiáng)激光場(chǎng)的許多性質(zhì)都需要進(jìn)行針對(duì)性的研究。本文針對(duì)真空激光遠(yuǎn)場(chǎng)電子加速機(jī)制(主要是俘獲加速電子加速機(jī)制(CAS))中的一些光學(xué)問題進(jìn)行了理論研究。內(nèi)容包括超短脈沖光束的矢量非傍軸傳輸、時(shí)空耦合效應(yīng)對(duì)CAS電子加速機(jī)制的影響、以及相速度分布的驗(yàn)證與探測(cè)方法等。目的在于為基于真空激光遠(yuǎn)場(chǎng)電子加速機(jī)制的小型化高能加速器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供可行性判斷和理論支持。本文主要進(jìn)行了如下工作： 一、研究了超短脈沖光束在自由空間中的矢量非傍軸傳

3、輸特性，得出了超短脈沖光束的矢量非傍軸修正公式，并且討論了脈沖光譜特性對(duì)矢量非傍軸傳輸?shù)挠绊憽?由于在真空激光遠(yuǎn)場(chǎng)加速機(jī)制中縱向分量所起到的關(guān)鍵性作用，并且所用到的激光場(chǎng)一般都是時(shí)空緊聚焦光束，不能很好地滿足傍軸近似，所以我們對(duì)超短脈沖光束的矢量非傍軸傳輸進(jìn)行了詳細(xì)的研究。我們討論了緊聚焦脈沖激光光束中橫向場(chǎng)和縱向場(chǎng)分量的關(guān)系，以及橫向場(chǎng)的非傍軸修正和縱向場(chǎng)之間的量級(jí)比較．運(yùn)用微擾法和角譜展開法推導(dǎo)了脈沖光束的矢量非傍軸修正公式

4、。并基于修正公式系統(tǒng)分析了脈沖頻譜特性對(duì)非傍軸修正和縱向場(chǎng)分量的影響。這些工作可以為真空激光遠(yuǎn)場(chǎng)電子加速中脈沖光束的設(shè)計(jì)和理論研究提供參考。 二、研究了脈沖光束時(shí)空耦合效應(yīng)對(duì)真空激光遠(yuǎn)場(chǎng)電子加速機(jī)制(主要是CAS電子加速機(jī)制)中的一些參數(shù)的影響。 超短脈沖光束區(qū)別于長(zhǎng)脈沖的最明顯和最重要的一個(gè)特征是即使是在自由空間中傳輸，激光脈沖在傳輸過(guò)程中的時(shí)空耦合也會(huì)導(dǎo)致脈沖光束的形狀改變。由于激光光束的傳輸性質(zhì)會(huì)影響加速過(guò)程，因此

5、在真空激光遠(yuǎn)場(chǎng)加速電子的過(guò)程中，激光光束時(shí)空耦合效應(yīng)會(huì)對(duì)加速效果構(gòu)成直接的影響．我們對(duì)時(shí)空耦合效應(yīng)對(duì)于真空激光加速中的一些參數(shù)的影響進(jìn)行了研究．結(jié)果表明，諸如相速度分布，縱向場(chǎng)分布，加速因子等參數(shù)都類似于連續(xù)波高斯光束情況．這使得應(yīng)用脈沖高斯光束進(jìn)行CAS電子加速成為可能。但時(shí)空耦合效應(yīng)的影響，又使得脈沖光束的這些參數(shù)和連續(xù)波高斯光束有著一些區(qū)別。而當(dāng)脈沖的半高全寬T<,FWHM>5T<,0>(T<,0>為載波振蕩周期)時(shí)，時(shí)空耦合效應(yīng)

6、降低，這些區(qū)別也會(huì)變得很小以致可以忽略。此時(shí)可以采用簡(jiǎn)便的長(zhǎng)脈沖近似來(lái)研究CAS電子加速過(guò)程。另外，雖然超短脈沖的超高峰值功率對(duì)CAS電子加速過(guò)程是非常有利的，T<,FWHM>5T<,0>時(shí)載波一包絡(luò)相位對(duì)電子最大能量?jī)粼鲆娴挠绊憛s也同時(shí)成為一個(gè)非常不利的因素。因此，為了將超短脈沖應(yīng)用到CAS電子加速中，除了脈沖寬帶放大、壓縮等技術(shù)外，還對(duì)脈沖載波一包絡(luò)相位的控制提出了很高的要求。 三、在聚焦光束中相速度亞光速區(qū)域的驗(yàn)證和探測(cè)方

7、面，我們首次提出了利用二階非線性光學(xué)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦光束中相速度分布進(jìn)行探測(cè)的方法。 相速度是光學(xué)領(lǐng)域內(nèi)最基本的問題之一。相速度小于光速的區(qū)域在諸多領(lǐng)域有重要意義。尤其是在CAS電子加速機(jī)制中，其根本性的物理基礎(chǔ)是相對(duì)論電子所注入的激光場(chǎng)中要有亞光速區(qū)域。因此，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦光束中相速度分布的驗(yàn)證和測(cè)量也就顯得非常重要。過(guò)去傳統(tǒng)的測(cè)量相速度的方法是直接對(duì)波失及其相位進(jìn)行測(cè)量，但該方法不適用于聚焦光束中相速度分布的驗(yàn)證與測(cè)量。因?yàn)榫劢?/p>

8、光束中的相速度不是均勻分布的并且不同位置之間的相速度差別非常小，比如對(duì)于束腰小到波長(zhǎng)的10倍量級(jí)的光束，其相速度差別也僅在10<'-4>c的量級(jí)。因此有必要探索新的、有效的方法以實(shí)現(xiàn)聚焦光束中相速度分布的驗(yàn)證與測(cè)量。 因此，我們提出了利用二階非線性光學(xué)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)聚焦光束中亞光速區(qū)域的驗(yàn)證和探測(cè)。并研究了以下兩個(gè)方面的問題： 1)聚焦基頻高斯光束的離軸和頻產(chǎn)生過(guò)程； 2)平面泵浦光與聚焦信號(hào)光的差頻過(guò)程。 在聚焦基頻高斯光

9、束的離軸和頻產(chǎn)生過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)最佳相位失配量會(huì)被離軸距離所影響，而這與相速度的非均勻分布有著緊密的關(guān)系。據(jù)此，我們得到一個(gè)最佳相位失配量和基頻光相速度分布之間的直接關(guān)系式，并提出了一種測(cè)量高斯光束中相速度非均勻分布的方法。 而在平面泵浦光與聚焦信號(hào)光的差頻過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)，由于信號(hào)光的相速度不均勻分布，會(huì)導(dǎo)致差頻光的圖樣演化。反之，由差頻光的圖樣演化過(guò)程，也可以定性地知道信號(hào)光的相速度分布情況。根據(jù)這一特點(diǎn)，我們提出了利用平面