相對(duì)論強(qiáng)激光等離子體產(chǎn)生的超快輻射研究.pdf

1、超短相干極紫外和軟X射線范圍內(nèi)的超快輻射由于其短脈寬和短波長可能帶來的高時(shí)空分辨特性，在超快科學(xué)、醫(yī)療、生物等基礎(chǔ)研究和高新技術(shù)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。在過去的近二十年中隨著超短強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展，由這種強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的超快高頻輻射得到了廣泛而深入的研究。超短強(qiáng)激光脈沖與等離子體相互作用可以通過不同機(jī)制產(chǎn)生超快高頻電磁輻射。目前，基于強(qiáng)激光等離子體及其產(chǎn)生的高能電子束的高頻電磁輻射脈沖產(chǎn)生機(jī)制主要包括高次諧波、Betatron輻射、同步輻射

2、、湯姆遜散射、以及基于電子束與固體靶作用的軔致輻射、Kα線輻射等。其中基于Betatron輻射、同步輻射、湯姆遜散射可以產(chǎn)生方向性極好的小型化緊湊型X和伽馬射線，但通常難以產(chǎn)生相干的X射線輻射。
　　本論文對(duì)不同的等離子體狀態(tài)（氣體和固體），圍繞超強(qiáng)激光與等離子體作用產(chǎn)生超快高頻電磁輻射的若干機(jī)制及其相關(guān)的熱電子產(chǎn)生等過程開展了理論和數(shù)值模擬研究。
　　本文在第二章詳細(xì)介紹了基于等離子體中激光尾波場(chǎng)激發(fā)的電子飛鏡產(chǎn)生理論。早

3、期文獻(xiàn)提出的電子飛鏡依賴于氣體等離子體中產(chǎn)生的接近波破的激光尾波，因此尾場(chǎng)中超薄高密度電子層接近激光群速度沿著激光方向傳播。通過將另一束探測(cè)脈沖與電子層相向運(yùn)動(dòng)發(fā)生背散射，將得到時(shí)域壓縮頻率增加的超短高頻脈沖。這種方法面對(duì)的主要挑戰(zhàn)是等離子體溫度效應(yīng)，這將極大地限制波破強(qiáng)度和飛鏡品質(zhì)。我們提出在具有密度上升沿的等離子體中激發(fā)尾場(chǎng)來產(chǎn)生穩(wěn)定的飛鏡，這種方法很好地抑制了熱效應(yīng)對(duì)飛鏡品質(zhì)的影響。沿著密度上升沿，由于在不均勻等離子體中尾場(chǎng)演化的

4、特點(diǎn)，由電子熱溫度引起的電子飛鏡失效現(xiàn)象被消除，可以獲得穩(wěn)定的相對(duì)論電子飛鏡。
　　第三章我們首先概述了激光和相對(duì)論電子飛鏡發(fā)生背散射的主要特征。接著我們使用一維（1D）和二維（2D）particle-in-cell（PIC）程序來模擬電子飛鏡與激光的相干背散射。模擬結(jié)果在較大的激光-等離子體參數(shù)區(qū)間內(nèi)有效，證明了這種方法的穩(wěn)定性和可控性。與均勻等離子體中產(chǎn)生的電子飛鏡相比，這種方法產(chǎn)生超短輻射脈沖具有單色、相干、頻率高、在時(shí)間和

5、空間都持續(xù)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
　　另一種產(chǎn)生超快相干的高頻輻射的方法是利用強(qiáng)激光在固體等離子體表面產(chǎn)生的高次諧波（HHG）。在激光有質(zhì)動(dòng)力作用下，表面電子束將作為高密度飛鏡以相對(duì)論速度振蕩，并同時(shí)反射驅(qū)動(dòng)脈沖，形成高次諧波。在第四章中，我們首先介紹了相對(duì)論振蕩鏡（ROM）模型，然后使用二維PIC程序模擬了激光和平面靶、光柵靶的相互作用產(chǎn)生的高次諧波。特別研究了光柵的周期性結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)生的高次諧波特性的影響。激光與光柵靶產(chǎn)生的高次諧波遵循RO

6、M模型中的選擇定則。在光柵常數(shù)為d=0.5λL時(shí)，光柵周期與激光周期相同，反射脈沖出現(xiàn)了偶次諧波。高次諧波的相對(duì)強(qiáng)度隨著光柵周期的增加而減弱。由于光柵靶的周期性結(jié)構(gòu)改變了激光在固體靶表面激發(fā)的周期性電子振蕩的結(jié)構(gòu)，光柵靶產(chǎn)生的高次諧波具有一些精細(xì)結(jié)構(gòu)。另一方面，超強(qiáng)激光與固體靶作用可以產(chǎn)生100MG量級(jí)的強(qiáng)磁場(chǎng)。這種強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)高次諧波產(chǎn)生的效應(yīng)至今還沒有獲得充分的研究。我們首先建立了磁場(chǎng)中的ROM模型，通過解析推導(dǎo)得到了磁場(chǎng)中的選擇定則，

7、并與PIC模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究表明，橫向磁場(chǎng)中電子的回旋運(yùn)動(dòng)改變了固體靶表面的電子振蕩，使正入射的激光產(chǎn)生了偶次諧波。我們還討論了預(yù)等離子體長度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、激光條件等參數(shù)對(duì)耦合效率和偶次諧波的影響。對(duì)于不同方向的磁場(chǎng)（平行或垂直于驅(qū)動(dòng)光的偏振方向），偶次諧波強(qiáng)度對(duì)參數(shù)的依賴關(guān)系也不盡相同。在平行于激光電場(chǎng)方向的磁場(chǎng)中產(chǎn)生的二次諧波的譜強(qiáng)度在很大范圍內(nèi)（<160MG）正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度。在一定范圍內(nèi)，由磁場(chǎng)產(chǎn)生的二次諧波強(qiáng)度隨著預(yù)等離子體

8、長度的增加而增強(qiáng)。這些依賴關(guān)系將可能用來測(cè)量自生磁場(chǎng)和預(yù)等離子體的標(biāo)尺長度。激光與等離子體相互作用會(huì)在臨界密度面附近產(chǎn)生自生磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度甚至高達(dá)100MG以上。在短脈沖作用下，靶面由于激光預(yù)脈沖造成的預(yù)加熱，同樣會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場(chǎng)，主要為橫向分布。我們介紹了激光和固體靶作用產(chǎn)生磁場(chǎng)的機(jī)制，并采用多維PIC模擬研究了可能由預(yù)加熱效應(yīng)引起的自生磁場(chǎng)。
　　強(qiáng)激光與固體靶作用不僅可以直接產(chǎn)生高次諧波，同時(shí)也產(chǎn)生大量高能電子并誘導(dǎo)出很強(qiáng)

9、的準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)。當(dāng)高能電子束在準(zhǔn)靜態(tài)的電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以通過類似Betatron輻射的機(jī)制，產(chǎn)生定向X射線輻射。其中大量定向高能電子束的產(chǎn)生對(duì)X射線產(chǎn)生起關(guān)鍵作用。在第五章中，我們主要研究了超強(qiáng)激光與固體靶相互作用產(chǎn)生熱電子的過程及其產(chǎn)生的輻射，特別討論了激光與一種錐形靶作用產(chǎn)生的高能電子。研究結(jié)果表明，強(qiáng)激光與錐形靶作用可以產(chǎn)生方向性好的高能電子。較小的錐靶開口角度和較長的預(yù)等離子體尺度會(huì)增加有質(zhì)動(dòng)力的作用，有助于產(chǎn)生更多的高能電子