真空中強(qiáng)激光加速電子的研究.pdf

1、隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)的進(jìn)展，基于強(qiáng)激光場(chǎng)的新型電子加速器已成為強(qiáng)場(chǎng)物理中一個(gè)研究熱點(diǎn)，并提出了多種用強(qiáng)激光加速電子的模型。電子加速的最終目的是把電子加速到GeV或TeV的能量，這需要超強(qiáng)激光場(chǎng)與粒子的相互作用。如此強(qiáng)的激光場(chǎng)在實(shí)驗(yàn)室可通過(guò)把激光束聚焦到非常小的空間尺寸(幾個(gè)微米)而得到，其聚焦后的光斑尺寸可以與波長(zhǎng)相比擬，在此情況下，傍軸標(biāo)量理論不再有效，激光束的矢量性和非傍軸性必須考慮。 首先介紹了精確描述電磁場(chǎng)的一些常用方法

2、，包括矢量瑞利一索末菲積分法、角譜法、微擾級(jí)數(shù)法等。闡述了激光場(chǎng)與粒子的兩種相互作用模型：有質(zhì)動(dòng)勢(shì)模型和相對(duì)論電子的動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上本文進(jìn)行的主要?jiǎng)?chuàng)新性工作有： 基于矢量瑞利．索末菲積分研究了非傍軸近似下平面波通過(guò)薄透鏡微光闌系統(tǒng)的聚焦和衍射特性，得出了軸上場(chǎng)分布的精確解析表達(dá)式及R>>λ時(shí)的場(chǎng)的一般解析表達(dá)式，所得結(jié)果可用于處理遠(yuǎn)場(chǎng)、傍軸場(chǎng)、軸上場(chǎng)以及無(wú)光闌情況。在光闌尺寸與波長(zhǎng)相比擬或強(qiáng)聚焦時(shí)，矢量非傍軸方法應(yīng)該被使用

3、。 在考慮光束的部分相干性、矢量性和非傍軸性的基礎(chǔ)上引入了部分相干矢量非傍軸ChG光束的概念，基于一般的矢量瑞利一索末菲積分理論，首次得出了部分相干矢量非傍軸ChG光束在自由空間中傳輸?shù)慕徊孀V密度和場(chǎng)強(qiáng)解析表示式。完全相干矢量非傍軸ChG光束，矢量非傍軸GSM光束及它們相應(yīng)的標(biāo)量傍軸近似和遠(yuǎn)場(chǎng)結(jié)果可作為一般結(jié)果的特殊情況而得到。部分相干矢量非傍軸ChG光束的矢量性和非傍軸性主要有f和f<,σ>參數(shù)決定，但是離心參數(shù)也影響光束的矢

4、量性和非傍軸行為。當(dāng)f和f<,σ>參數(shù)非常小時(shí)，標(biāo)量傍軸近似成立。一般的矢量瑞利-索末菲積分是一個(gè)非常有用的工具，不僅可以應(yīng)用于矢量非傍軸GSM光束，也可用于其它的部分相干矢量非傍軸光束，表現(xiàn)出了一般可用的優(yōu)點(diǎn)。部分相干矢量非傍軸ChG光束在自由空間中傳輸也可用Wingner分布函數(shù)矩陣方法處理得到相同的結(jié)果，這兩種方法是等價(jià)的。根據(jù)橫向電場(chǎng)和縱向電場(chǎng)的關(guān)系，得出了拉蓋爾-高斯(LG)的縱向電場(chǎng)解析表達(dá)式。首次研究了真空中拉蓋爾-高斯光

5、束加速電子的有關(guān)物理問(wèn)題。研究表明只有模指數(shù)為p和l=1的拉蓋爾-高斯激光束有非0的軸上縱向電場(chǎng)，可用于加速軸上運(yùn)動(dòng)電子。y方向偏振的橫向電場(chǎng)不能產(chǎn)生縱向電場(chǎng)分量，圓偏振與x方向偏振的拉蓋爾-高斯激光束加速軸上運(yùn)動(dòng)的電子有相同的效果。討論了軸上光場(chǎng)的相速度，群速度，電子滑動(dòng)距離及軸上加速電位，電子能量增益等物理特征。軸上加速電場(chǎng)的相速度總是大于光速c。軸上加速電位與傳輸距離有關(guān)，且隨著模指數(shù)p的增大而出現(xiàn)振蕩。電子能量增益△W依賴(lài)于激光

6、束的束腰寬度w<,0>，模指數(shù)p和激光場(chǎng)的初始相位ψ<,0>。電子與激光場(chǎng)在有限作用距離范圍內(nèi)若滿足一定條件，可使電子能量增益最大化。 研究了真空中線偏振和圓偏振BG光束加速電子的的一般特征。研究表明只有模指數(shù)n=1的貝塞爾．高斯激光束有非0的縱向電場(chǎng)可用于加速軸上電子。軸上加速場(chǎng)的相速度總是大于光速c。電子能量增益△W依賴(lài)于激光束的束腰寬度w<,0>，初始相位ψ<,0>、波數(shù)k及其橫向分量α。對(duì)于圓偏振的BG，AW還依賴(lài)于偏振

7、角θ。當(dāng)偏振角θ=0時(shí)，演化為線偏振貝塞爾激光束的有關(guān)結(jié)果。在激光功率一定的條件下，電子滑動(dòng)距離z<,s>隨w<,0>的增加，最大能量增益△W隨w<0>減小而增加。 在求得圓對(duì)稱(chēng)同頻率交叉拉蓋爾-高斯激光束總的橫向和縱向電場(chǎng)解析表達(dá)式的基礎(chǔ)上，首次提出和研究了用交叉拉蓋爾．高斯激光束對(duì)電子加速的有關(guān)物理問(wèn)題。研究表明兩激光束的初始相位差在加速電子中起至關(guān)重要的作用。若兩激光束的初始相位差π,總的軸上橫向電場(chǎng)和磁場(chǎng)消失，而總的縱向

8、電場(chǎng)達(dá)到量大值，加速電子最有效。電子滑動(dòng)距離z<,s>隨著模指數(shù)p的減小和w<,0>的增大而增大；對(duì)于固定的激光功率p,電子最大能量增益△W隨著激光束束腰寬度w<,0>和模指數(shù)p的減小而增大。 研究了真空中用交叉貝塞爾激光束和貝塞爾-高斯激光束加速電子一般特征。得出了交叉貝塞爾和貝塞爾-高斯激光束總的橫向和縱向電場(chǎng)、電子滑動(dòng)距離，軸上加速電位及能量增益的解析表示式。研究表明只有0階和1階交叉貝塞爾激光束和貝塞爾-高斯激光束有非0

9、的縱向電場(chǎng)分量，在兩激光束初始相位差為π時(shí)，軸上縱向電場(chǎng)達(dá)到最大化可有效地用于加速電子。討論了電子能量增益最大化的條件。并將交叉貝塞爾激光束與單貝塞爾激光束加速電子情況進(jìn)行了比較，在z<,s>作用范圍內(nèi)用交叉貝塞爾光束加速電子可以獲得更大的能量增益和加速梯度。 利用微擾級(jí)數(shù)法得到了強(qiáng)聚焦TEM<,1,0>模厄米-高斯激光場(chǎng)包含參數(shù)f高階修正項(xiàng)場(chǎng)的解析表達(dá)式，在此基礎(chǔ)上首次研究了強(qiáng)聚焦場(chǎng)中電子的動(dòng)力學(xué)特征。數(shù)值計(jì)算表明當(dāng)電子離軸入

10、射時(shí)，強(qiáng)聚焦TEM<,1,0>模H-G激光場(chǎng)中包含f<'3>的高階修正項(xiàng)是必要的，并且高于f<'3>的修正項(xiàng)可能會(huì)導(dǎo)致電子能量增益發(fā)散。強(qiáng)激光場(chǎng)中電子能量增益△W與激光束參數(shù)(激光輸出功率P，激光束的束腰寬度w<,0>，激光場(chǎng)初始相位ψ<,0>)和電子初始入射參數(shù)(初始入射角θ,初始入射能量γ<,0>)有關(guān)，電子在強(qiáng)激光場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)軌道上場(chǎng)的非對(duì)稱(chēng)性是導(dǎo)致電子能量增益的原因。如果電子的初始入射能量過(guò)低，電子接近激光束的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)域會(huì)被反射，初始