光场感应电离类钯氙X射线激光系统的等离子体特性研究

论文摘要

随着飞秒激光技术的发展,激光强度大幅度提高,聚焦后的功率密度可达1021W/cm2,已远远超过氢原子内部的库仑场强。这使激光与物质相互作用产生了许多微扰理论无法解释的现象;同时又为基于光场感应电离的X射线激光提供了理想的泵浦源。本文从理论和实验两个方面对基于光场感应电离类钯氙X射线激光系统的等离子体特性进行了研究。理论上,在准静态隧道电离模型和准经典阈上电离模型的基础上,建立了一个描述圆偏振光光场感应电离电子能量分布的模型。并结合实验室飞秒激光系统的实际参数,计算了基于光场感应电离类钯氙系统的电离速率、阈值光强、电子剩余能以及电子能量分布等电离参数。另外,本文还利用Cowan程序计算了类钯氙系统相关能级的能量值之差、振子强度、自发辐射衰减速率以及跃迁谱线等原子参数。实验上,利用飞行时间质谱仪对光场感应电离氙气和氮气产生的离子质谱进行了研究。通过测量不同激光偏振下氮气的飞行时间质谱,发现氮气分子在强激光场中发生了库仑爆炸,我们对产生的离子特性及其原因进行了详细的讨论。本文还对不同条件下氙气的飞行时间质谱进行了测量,并尝试了多种减小质谱噪声的方法,使氙气质谱的信噪比得到了很大的改善,从中可以明显地观察到Xe6+的谱峰。通过研究飞秒激光光场感应电离产生的等离子体特性,不但可以进一步完善强场电离理论,更重要的是为我们即将进行的基于光场感应电离类钯氙41.8nm X射线激光的研究提供必要的理论和实验支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 光场感应电离X射线激光研究进展
• 1.2.2 强激光等离子体波导研究进展
• 1.2.3 等离子体波导中光场感应电离X射线激光
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第2章 类钯氙系统电离参数的计算
• 2.1 引言
• 2.2 强激光场中原子的电离
• 2.2.1 强激光场中原子的电离机理
• 2.2.2 准静态隧道电离理论模型
• 2.2.3 准经典阈上电离理论模型
• 2.3 圆偏振光场中类钯氙系统电离参数的计算
• 2.3.1 圆偏振光场中的电子剩余能
• 2.3.2 圆偏振光场中电子能量分布模型的建立
• 2.3.3 类钯氙系统的电离速率和阈值光强
• 2.3.4 类钯氙系统的电子能量分布
• 2.4 本章小结
• 第3章 类钯氙系统原子参数的计算
• 3.1 引言
• 3.2 离子的电子碰撞激发
• 3.2.1 基本原理
• 3.2.2 亚稳能级的单极激发
• 3.3 Cowan程序的结构及运行情况
• 3.3.1 Cowan程序的结构
• 3.3.2 Cowan程序的输入与输出文件
• 3.3.3 Cowan程序的正确性验证
• 3.4 Cowan程序计算类钯氙系统的结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 实验系统
• 4.1 引言
• 4.2 整体布局
• 4.3 激光系统
• 4.3.1 飞秒激光系统
• 4.3.2 光束的聚焦
• 4.4 飞行时间质谱仪
• 4.4.1 分子束的形成
• 4.4.2 离子的加速与自由飞行
• 4.4.3 离子探测系统
• 4.5 软X射线平场光栅谱仪
• 4.6 本章小结
• 第5章 光场感应电离氙气和氮气的实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 飞行时间质谱的标定
• 5.3 光场感应电离氮气的实验结果
• 5.3.1 氮气分子在强激光场中的库仑爆炸
• 5.3.2 激光偏振方向对氮气飞行时间质谱的影响
• 5.4 光场感应电离氙气的实验结果
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢