相對論激光尾場產(chǎn)生阿秒電子片與阿秒光脈沖.pdf

1、作為現(xiàn)代物理學最前沿的研究領域之一，阿秒科學主要研究物質(zhì)在原子時間尺度的超快動力學過程，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論強激光激發(fā)的氣體高次諧波產(chǎn)生。與此同時，相對論強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激光與固體靶作用，而有關與氣體密度等離子體作用的研究很少涉及。超短相對論強激光在氣體密度等離子體中傳播時的主要現(xiàn)象是尾場激發(fā)與相應的電子加速?；诩す?/p>

2、尾場加速，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新的激光尾場加速機制，即通過準一維尾場激發(fā)和可控的電子注入，產(chǎn)生高密度阿秒電子片以及相干、孤立的超強阿秒光脈沖。該機制要求激光焦斑大于其激發(fā)的尾場的波長。相應地，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)動的空泡機制，其中電子橫向運動占主導。最顯著的是，強烈激發(fā)的準一維尾波密度峰可形成盤狀結(jié)構(gòu)的高密度電子片。通過理論分析和

3、粒子模擬，我們對該非線性準一維激光尾場的多個方面開展研究，包括電子片的注入與加速、以及相應高強度阿秒光脈沖的產(chǎn)生機制與特點等。本論文工作對今后激光尾場加速和輻射產(chǎn)生的實驗研究具有啟發(fā)和指導意義。
　　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一維激光尾場的機制。該機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)平臺的轉(zhuǎn)換。相應地，波破過程集中地發(fā)生在密度轉(zhuǎn)換位置附近，導致尾場密度峰內(nèi)大量電子同步

4、縱向注入尾場，形成一個納米厚度（時域為阿秒量級）、納庫倫電量的高密度電子片。該同步縱向注入與通?？张輽C制下的準連續(xù)性橫向注入顯著不同。通過分析非均勻等離子體中激光尾場相速度的演化，揭示了阿秒電子片注入的物理機制，研究了注入發(fā)生的閾值激光條件和該機制的有效激光等離子體參數(shù)空間。此外，簡單討論了該機制從準一維模式到空泡模式的轉(zhuǎn)換以及相應的電子注入行為。
　　第二部分，研究了阿秒電子片在激光尾場中傳播時的輻射性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了基于激光尾場加速

5、產(chǎn)生阿秒脈沖的相干類同步輻射機制。研究發(fā)現(xiàn)，電子片注入尾場后，一方面受縱向尾場作用而加速，另一方面受聚焦尾場作用而發(fā)生徑向收縮。該初始收縮過程可提供輻射電流，產(chǎn)生一束高強度、徑向偏振、100阿秒左右脈寬的半周期光脈沖。論文將該結(jié)果與通常基于空泡加速的betatron輻射進行了對比。推導了半周期輻射的基本動力學，澄清了主要由電子片橫向速度引起的其它多維效應（如輻射的聚焦），并研究了激光參數(shù)對輻射產(chǎn)生的影響。此外，還將本方案與其它半周期輻射

6、產(chǎn)生機制進行對比，討論了本方案所需的實驗條件。
　　最后第三部分，研究利用注入阿秒電子片作為相對論飛鏡產(chǎn)生相干Thomson背散射?；诜蔷€性激光尾波的相對論飛鏡概念早在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論飛鏡，飛鏡速度因尾場