相對(duì)論激光尾場(chǎng)產(chǎn)生阿秒電子片與阿秒光脈沖.pdf

1、作為現(xiàn)代物理學(xué)最前沿的研究領(lǐng)域之一，阿秒科學(xué)主要研究物質(zhì)在原子時(shí)間尺度的超快動(dòng)力學(xué)過(guò)程，其核心課題之一是如何產(chǎn)生孤立的高亮度阿秒光脈沖。一種常用方法是基于非相對(duì)論強(qiáng)激光激發(fā)的氣體高次諧波產(chǎn)生。與此同時(shí)，相對(duì)論強(qiáng)激光與等離子體作用為產(chǎn)生更高亮度的阿秒脈沖提供了新途徑。目前這方面研究主要基于強(qiáng)激光與固體靶作用，而有關(guān)與氣體密度等離子體作用的研究很少涉及。超短相對(duì)論強(qiáng)激光在氣體密度等離子體中傳播時(shí)的主要現(xiàn)象是尾場(chǎng)激發(fā)與相應(yīng)的電子加速?；诩す?/p>

2、尾場(chǎng)加速，通?？梢垣@得飛秒脈寬的電子束和飛秒非相干的X射線脈沖。本論文提出并研究一個(gè)新的激光尾場(chǎng)加速機(jī)制，即通過(guò)準(zhǔn)一維尾場(chǎng)激發(fā)和可控的電子注入，產(chǎn)生高密度阿秒電子片以及相干、孤立的超強(qiáng)阿秒光脈沖。該機(jī)制要求激光焦斑大于其激發(fā)的尾場(chǎng)的波長(zhǎng)。相應(yīng)地，尾波電子（特別是那些靠近光軸的電子）主要作一維縱向振蕩，不同于緊聚焦激光驅(qū)動(dòng)的空泡機(jī)制，其中電子橫向運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)。最顯著的是，強(qiáng)烈激發(fā)的準(zhǔn)一維尾波密度峰可形成盤(pán)狀結(jié)構(gòu)的高密度電子片。通過(guò)理論分析和

3、粒子模擬，我們對(duì)該非線性準(zhǔn)一維激光尾場(chǎng)的多個(gè)方面開(kāi)展研究，包括電子片的注入與加速、以及相應(yīng)高強(qiáng)度阿秒光脈沖的產(chǎn)生機(jī)制與特點(diǎn)等。本論文工作對(duì)今后激光尾場(chǎng)加速和輻射產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)研究具有啟發(fā)和指導(dǎo)意義。
　　論文具體涉及以下三方面工作。第一部分，提出一種將高密度電子片可控注入到準(zhǔn)一維激光尾場(chǎng)的機(jī)制。該機(jī)制利用了沿著激光傳播方向等離子體密度從上升前沿到后續(xù)平臺(tái)的轉(zhuǎn)換。相應(yīng)地，波破過(guò)程集中地發(fā)生在密度轉(zhuǎn)換位置附近，導(dǎo)致尾場(chǎng)密度峰內(nèi)大量電子同步

4、縱向注入尾場(chǎng)，形成一個(gè)納米厚度（時(shí)域?yàn)榘⒚肓考?jí)）、納庫(kù)倫電量的高密度電子片。該同步縱向注入與通?？张輽C(jī)制下的準(zhǔn)連續(xù)性橫向注入顯著不同。通過(guò)分析非均勻等離子體中激光尾場(chǎng)相速度的演化，揭示了阿秒電子片注入的物理機(jī)制，研究了注入發(fā)生的閾值激光條件和該機(jī)制的有效激光等離子體參數(shù)空間。此外，簡(jiǎn)單討論了該機(jī)制從準(zhǔn)一維模式到空泡模式的轉(zhuǎn)換以及相應(yīng)的電子注入行為。
　　第二部分，研究了阿秒電子片在激光尾場(chǎng)中傳播時(shí)的輻射性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了基于激光尾場(chǎng)加速

5、產(chǎn)生阿秒脈沖的相干類同步輻射機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，電子片注入尾場(chǎng)后，一方面受縱向尾場(chǎng)作用而加速，另一方面受聚焦尾場(chǎng)作用而發(fā)生徑向收縮。該初始收縮過(guò)程可提供輻射電流，產(chǎn)生一束高強(qiáng)度、徑向偏振、100阿秒左右脈寬的半周期光脈沖。論文將該結(jié)果與通?；诳张菁铀俚腷etatron輻射進(jìn)行了對(duì)比。推導(dǎo)了半周期輻射的基本動(dòng)力學(xué)，澄清了主要由電子片橫向速度引起的其它多維效應(yīng)（如輻射的聚焦），并研究了激光參數(shù)對(duì)輻射產(chǎn)生的影響。此外，還將本方案與其它半周期輻射

6、產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行對(duì)比，討論了本方案所需的實(shí)驗(yàn)條件。
　　最后第三部分，研究利用注入阿秒電子片作為相對(duì)論飛鏡產(chǎn)生相干Thomson背散射?；诜蔷€性激光尾波的相對(duì)論飛鏡概念早在10年前就已提出，其中飛鏡速度（或相干背散射的Doppler頻移因子）受限于尾場(chǎng)相速度。為獲得X射線波段的相干背散射，需要使用很低密度的等離子體。研究發(fā)現(xiàn)低密度等離子體的使用將導(dǎo)致一系列難題，包括需求超高的激光峰值功率。而基于注入電子片的相對(duì)論飛鏡，飛鏡速度因尾場(chǎng)