真空激光遠場電子加速機制中相關光學問題的研究.pdf

1、近年來，得益于固體激光器技術和啁啾脈沖放大技術的飛速發(fā)展，已經(jīng)能夠產(chǎn)生脈沖峰值功率達到PW量級，聚焦光強達到10<'22>W/cm<'2>的超強超短脈沖光束。由于其具有高出傳統(tǒng)加速器百萬倍的高強度電場，利用強激光中的超強電磁場加速電子，進而發(fā)展新一代小型化高能加速器已受到人們的普遍關注。由于超強超短脈沖激光場具有功率高、功率密度大、與物質(zhì)相互作用時間短、光束衍射效應以及光束空間時間分布耦合復雜、光束質(zhì)量難于控制等特點，在將其應用于電子加

2、速時，強激光場的許多性質(zhì)都需要進行針對性的研究。本文針對真空激光遠場電子加速機制(主要是俘獲加速電子加速機制(CAS))中的一些光學問題進行了理論研究。內(nèi)容包括超短脈沖光束的矢量非傍軸傳輸、時空耦合效應對CAS電子加速機制的影響、以及相速度分布的驗證與探測方法等。目的在于為基于真空激光遠場電子加速機制的小型化高能加速器的設計和優(yōu)化提供可行性判斷和理論支持。本文主要進行了如下工作： 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矢量非傍軸傳輸?shù)挠绊憽?由于在真空激光遠場加速機制中縱向分量所起到的關鍵性作用，并且所用到的激光場一般都是時空緊聚焦光束，不能很好地滿足傍軸近似，所以我們對超短脈沖光束的矢量非傍軸傳輸進行了詳細的研究。我們討論了緊聚焦脈沖激光光束中橫向場和縱向場分量的關系，以及橫向場的非傍軸修正和縱向場之間的量級比較．運用微擾法和角譜展開法推導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非傍軸修正和縱向場分量的影響。這些工作可以為真空激光遠場電子加速中脈沖光束的設計和理論研究提供參考。 二、研究了脈沖光束時空耦合效應對真空激光遠場電子加速機制(主要是CAS電子加速機制)中的一些參數(shù)的影響。 超短脈沖光束區(qū)別于長脈沖的最明顯和最重要的一個特征是即使是在自由空間中傳輸，激光脈沖在傳輸過程中的時空耦合也會導致脈沖光束的形狀改變。由于激光光束的傳輸性質(zhì)會影響加速過程，因此

5、在真空激光遠場加速電子的過程中，激光光束時空耦合效應會對加速效果構成直接的影響．我們對時空耦合效應對于真空激光加速中的一些參數(shù)的影響進行了研究．結果表明，諸如相速度分布，縱向場分布，加速因子等參數(shù)都類似于連續(xù)波高斯光束情況．這使得應用脈沖高斯光束進行CAS電子加速成為可能。但時空耦合效應的影響，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。而當脈沖的半高全寬T<,FWHM>5T<,0>(T<,0>為載波振蕩周期)時，時空耦合效應

6、降低，這些區(qū)別也會變得很小以致可以忽略。此時可以采用簡便的長脈沖近似來研究CAS電子加速過程。另外，雖然超短脈沖的超高峰值功率對CAS電子加速過程是非常有利的，T<,FWHM>5T<,0>時載波一包絡相位對電子最大能量凈增益的影響卻也同時成為一個非常不利的因素。因此，為了將超短脈沖應用到CAS電子加速中，除了脈沖寬帶放大、壓縮等技術外，還對脈沖載波一包絡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)域的驗證和探測方

7、面，我們首次提出了利用二階非線性光學效應來實現(xiàn)對聚焦光束中相速度分布進行探測的方法。 相速度是光學領域內(nèi)最基本的問題之一。相速度小于光速的區(qū)域在諸多領域有重要意義。尤其是在CAS電子加速機制中，其根本性的物理基礎是相對論電子所注入的激光場中要有亞光速區(qū)域。因此，實現(xiàn)對聚焦光束中相速度分布的驗證和測量也就顯得非常重要。過去傳統(tǒng)的測量相速度的方法是直接對波失及其相位進行測量，但該方法不適用于聚焦光束中相速度分布的驗證與測量。因為聚焦

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，比如對于束腰小到波長的10倍量級的光束，其相速度差別也僅在10<'-4>c的量級。因此有必要探索新的、有效的方法以實現(xiàn)聚焦光束中相速度分布的驗證與測量。 因此，我們提出了利用二階非線性光學效應來實現(xiàn)聚焦光束中亞光速區(qū)域的驗證和探測。并研究了以下兩個方面的問題： 1)聚焦基頻高斯光束的離軸和頻產(chǎn)生過程； 2)平面泵浦光與聚焦信號光的差頻過程。 在聚焦基頻高斯光

9、束的離軸和頻產(chǎn)生過程中，我們發(fā)現(xiàn)最佳相位失配量會被離軸距離所影響，而這與相速度的非均勻分布有著緊密的關系。據(jù)此，我們得到一個最佳相位失配量和基頻光相速度分布之間的直接關系式，并提出了一種測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光的差頻過程中，我們發(fā)現(xiàn)，由于信號光的相速度不均勻分布，會導致差頻光的圖樣演化。反之，由差頻光的圖樣演化過程，也可以定性地知道信號光的相速度分布情況。根據(jù)這一特點，我們提出了利用平面