拉盖尔—高斯激光驱动超短电子脉冲的产生、加速及其应用研究

论文摘要

随着超快物理的发展,人们在飞秒时间尺度内实时观测了物质中原子和分子的运动。随着研究的深入,人们期待能在阿秒时间尺度内观测和控制原子内部状态。高品质的超短电子脉冲,促进了超快技术的不断发展。虽然传统加速器可以把电子加速到很高能量,但由于注入器技术及束团拉伸效应的限制,它很难产生脉宽低于百飞秒（10-1515 s）的超短电子脉冲。伴随激光技术的不断进步,特别是调Q技术、激光锁模技术和啁啾脉冲放大技术,激光脉宽从纳秒（10-99 s）缩短到飞秒量级,峰值功率也从兆瓦（106W）提高到了拍瓦量级（10155 W）。目前,激光的峰值强度已经超过了10222 W/cm2。由于超短超强激光的脉宽通常在几十飞秒,它与物质的相互作用在超短电子脉冲的产生上具有天然优势。超短超强激光的产生也把激光与物质的相互作用推向相对论研究范畴,此时激光场中的相对论电子动力学占据了主导地位。由等离子体中相对论带电粒子运动所驱动的光学过程,即所谓的“相对论等离子体光学”,极大地促进了超快物理和紧凑辐射源的发展。这种超短高能电子脉冲在电子衍射、电子光谱学、四维电子成像和自由电子激光等领域具有巨大的应用潜力,并能促进脉宽低至阿秒量级的超短X/γ射线辐射源的产生。在上述应用领域,产生具有窄能谱、小发散角、大电荷量的飞秒甚至阿秒电子脉冲是至关重要的。为了获得高品质的超短电子脉冲,科学家们付出了大量的努力。但由于高斯激光的横向有质动力及电荷间的库仑排斥力,产生的电子脉冲很快发生横向发散,持续时间短（<50飞秒）、发散角较大（>20?）、密度较低（远远小于电子临界密度）,从而阻碍了超短电子脉冲在各领域的潜在应用。目前,高品质超短电子脉冲的产生仍然是一项极具挑战性的课题。为了解决这项困扰人们多年的难题,本文通过理论分析和数值模拟提出了采用拉盖尔-高斯激光与微型靶相互作用来产生高品质超短电子脉冲的新方案。本文的主要内容如下:第一,系统地研究了超强拉盖尔-高斯激光场中的非线性电子动力学。在线偏振拉盖尔-高斯激光场中,由于横向受力不平衡,电子发生剧烈振荡,并逐渐远离激光场中心区域。此时,激光纵向和横向电场分量相互竞争,持续把电子加速到近百MeV。在左旋圆极化拉盖尔-高斯激光场中,电子在横向上受力平衡,从而被约束在光轴附近。在纵向电场（Ex<0）的加速下,电子的失相率R减小到接近于零,导致电子在纵向上被锁相。此时,激光纵向电场在电子加速中占据主导地位,激光的角动量也传递给了电子。在右旋圆极化拉盖尔-高斯激光场中,由于不能保持受力平衡,电子将沿着y方向和z方向向外漂移。在此过程中,激光横向电场分量在电子加速中占据主导地位。该工作为研究超强拉盖尔-高斯激光与丝靶或雨滴靶相互作用提供了较坚实的理论基础。第二,详细地研究了超强拉盖尔-高斯激光脉冲与丝靶相互作用动力学,提出了产生高品质阿秒电子脉冲的新物理方案。当超强拉盖尔-高斯激光辐照到丝靶后,从丝靶左端周期性地拉出环形电子脉冲。在激光径向电场的作用下,环形电子脉冲被紧紧地束缚在靶表面附近,并沿着丝靶稳定地传输。同时,丝靶表面激发了超强电子回流,它感应出的角向磁场对靶内带电粒子有极强的箍缩作用。离开丝靶右端后,环形电子脉冲的发散角逐渐降低,并汇聚成稠密的阿秒电子脉冲。在纵向电场的作用下,电子被持续加速到超过100 MeV的能量。此时,激光的角动量也被有效地传递给电子脉冲。本方案产生的稠密超短电子脉冲的结构十分稳定,在传播300飞秒后依然能够保持结构完整。通过调节激光和靶参数,例如激光的手征性、强度、束腰半径以及丝靶的长度和半径,可以进一步优化电子脉冲的品质。该方案产生的高品质电子脉冲具有大电荷量、高角动量、低发散角、窄能谱且结构稳定的特征,有利于其在各领域的广泛应用。第三,研究了圆极化拉盖尔-高斯激光驱动雨滴靶产生稠密相对论电子镜的动力学过程。在激光径向电场的作用下,表面电子被拉出雨滴靶,在离开靶后逐渐聚焦并形成了稠密相对论电子镜。此时,相对论电子镜被囚禁在激光横向有质动力形成的势阱中,并被激光纵向场持续加速到超过100 MeV的能量。三维数值模拟表明,产生的相对论电子镜具有大电荷量、窄能谱和高角动量。该方案降低了对激光强度和瞄准精度的要求,提高了实验可行性,为相对论电子镜应用于产生超亮X/γ射线辐射源和形成光子涡旋等领域研究提供了有益参考。第四,创新性地提出了利用少周期圆极化拉盖尔-高斯激光脉冲产生孤立阿秒脉冲的方案。通过合理地改变载波相位和激光强度,能够有效控制电子脉冲在拉盖尔-高斯激光场中的锁相位置。当载波相位ψ0∈（π,3π/2）时,产生了结构稳定的孤立阿秒电子脉冲。靶后设置的高密度碳靶,对驱动激光脉冲进行反射,并通过非线性康普顿散射,产生了脉宽为300阿秒（10-1818 s）、最大光子能量为45 MeV的孤立阿秒γ射线脉冲。该方案产生的孤立阿秒脉冲将在阿秒物理的许多研究领域具有潜在应用,如阿秒光电子光谱学、亚原子分辨率四维成像和合成光场操控电子等。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 胡理想

导师: 邵福球,余同普

关键词: 激光等离子体相互作用,电子加速,拉盖尔高斯激光,粒子模拟,阿秒电子脉冲,阿秒射线,相对论电子镜,载波相位

来源: 国防科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,无线电电子学

单位: 国防科技大学

基金: 国家自然科学基金(编号11622547,11675264,11474360,11705280),湖南省研究生科研创新项目以及校“学术创新之星”项目

分类号: TN24;TN78

DOI: 10.27052/d.cnki.gzjgu.2019.000118

总页数: 177

文件大小: 28667k

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