超短超強(qiáng)圓偏振激光對(duì)電子的加速研究.pdf

1、超短超強(qiáng)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(shí)驗(yàn)手段與極端物理?xiàng)l件，極大地推動(dòng)了本領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的深入開(kāi)展.超短超強(qiáng)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(qiáng)度可達(dá)1018W cm-2以上的激光，其相應(yīng)的局域電場(chǎng)可以達(dá)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(kù)倫場(chǎng)（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(qiáng)超短

2、激光與等離子體的相互作用。在該過(guò)程中，超強(qiáng)激光加速高能粒子一直是近些年國(guó)際上的研究熱點(diǎn).一方面，相對(duì)論電子束的產(chǎn)生、加速和準(zhǔn)直是慣性約束核聚變(ICF)電子束“快點(diǎn)火”物理方案的重要課題。該方案可以分為三個(gè)階段，第一階段是靶丸壓縮階段，第二階段為相對(duì)論電子束的產(chǎn)生階段，第三階段是相對(duì)論電子束在高密度等離子體中輸運(yùn)并在芯區(qū)邊緣沉積能量形成點(diǎn)火熱斑的階段.由于點(diǎn)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(zhǔn)直性非常好的相對(duì)

3、論電子束.另一方面，由于高能粒子物理的研究對(duì)傳統(tǒng)高能粒子加速器的輸出能量要求增長(zhǎng)很快，導(dǎo)致加速器的規(guī)模和建造費(fèi)用相應(yīng)大增。而超強(qiáng)激光加速粒子具有加速梯度大的優(yōu)點(diǎn)，為了進(jìn)一步提高輸出能量和減少成本，對(duì)新型臺(tái)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(duì)激光-等離子體加速的研究，同時(shí)引起人們對(duì)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(duì)探索天體物理中的粒子加速機(jī)制有廣泛的應(yīng)用前景.
　　對(duì)激光

4、加速粒子的研究主要集中在加速機(jī)制探討和準(zhǔn)單能粒子束的產(chǎn)生問(wèn)題上，本論文將圍繞這些問(wèn)題重點(diǎn)開(kāi)展了兩方面的研究工作，即對(duì)超強(qiáng)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(wèn)題和緊聚焦超強(qiáng)超短激光對(duì)注入的自由電子束的加速問(wèn)題進(jìn)行了理論分析和相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算.具體包括:
　　1.研究了圓偏振強(qiáng)激光與低密度等離子體相互作用過(guò)程中等離子體通道內(nèi)電子的Betatron共振加速問(wèn)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(duì)線偏振激光與等離子體相互作用時(shí)電子的共振行為作了較詳細(xì)的討論。本論文從理論分析和數(shù)值計(jì)算兩個(gè)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(yàn)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(chǎng)的箍縮和軸向磁場(chǎng)的導(dǎo)向的聯(lián)合作用，共振電子束具有很好的準(zhǔn)直特性。
　　2.提出了利用緩慢衰減等離子體與強(qiáng)激光相互作用來(lái)加

6、強(qiáng)電子共振能量獲得的新方法。我們已經(jīng)知道，當(dāng)共振發(fā)生時(shí)，電子可以直接有效地從激光獲得很大能量。但是由于相對(duì)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(zhǎng)時(shí)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(yàn)粒子模型分析了實(shí)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(qiáng)激光相互作用來(lái)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(chǎng)模型，并且證明了該模型對(duì)側(cè)向注入電子受到緊聚焦強(qiáng)激光場(chǎng)作用的動(dòng)力學(xué)行為的必要性和有效性，指出拍瓦激光會(huì)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(chǎng)模型，并對(duì)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(yàn)證了該方案的有效性.
　　4.在對(duì)上述單個(gè)緊聚焦激光脈沖加速電子研究工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步討論兩束緊聚焦圓偏振激光的拍頻效應(yīng)對(duì)注入電子束加速的影響.數(shù)值計(jì)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(shí)由于保證了對(duì)稱注入和圓偏振激光這兩個(gè)關(guān)鍵因素，被加速的電子束的也獲得了很好的束