实际高强度激光束的描述和激光加速带电粒子特性的研究

论文摘要

随着强激光技术的迅猛发展，研究利用激光的超强电磁场加速带电粒子，并据此发展新一代小型化高能加速器已受到人们普遍关注。目前我们正积极推进真空激光加速的实验研究，对此，人们经常提出一些问题。首先，以往的真空激光加速理论是基于基模高斯光束发展起来的，而实际的高强度激光器输出的一般是平顶光束。这样的光束聚焦后，在主焦斑周围存在衍射形成的旁瓣。从实验的角度，人们很关心原有的加速理论在这样的光束中是否依然有效，衍射环会对加速产生什么样的影响?其次，以往的研究表明，以小角度（tanθ～0.1）入射到激光焦斑附近的电子才能够被光场俘获和加速，而实验中往往采用短焦距（F#～3）聚焦镜聚焦光束以获得更高的功率密度。为了实现电子的小角度入射，必须在聚焦镜上开一小孔作为电子的通道，或者外加磁场以使电子绕过聚焦镜进入激光焦斑附近，这会影响激光场的分布并增加实验的难度。大角度入射的电子真的不能被俘获加速吗?针对这些实际问题，本论文给出了几种光束的理论描述，探讨了它们的传播特性，并结合真空激光加速机制研究了电子在相应光场中的动力学特性。论文给出了平顶光束和聚焦平顶光束电磁场的解析表达式。用多阶拉盖尔-高斯（LG）光束加权叠加的方法来描述平顶光束，称其为平顶高斯光束（FGB）。与其它描述方法相比，FGB的最大优点在于可以解析地给出光束的传输过程。利用Lorentz规范，并令矢势A具有FGB的形式，给出了平顶光束和聚焦平顶光束电磁场的解析表达式。这组表达式可以非常方便地应用于粒子模拟计算。论文研究了聚焦平顶高斯光束的特性，并证实在聚焦平顶高斯光束中，俘获加速机制依然有效。与高斯光束情况类似，聚焦平顶高斯光束中，存在着俘获加速通道（相速度小于真空光速的低相速区和强纵向电场分量的重叠区域），以适当初始动量入射到该通道中的电子，能够被俘获并长时间保持在加速相位，进而获得持续加速。论文进一步深入研究了聚焦平顶高斯光束焦斑周围衍射环对电子动力学的影响。根据有质动力势模型，电子的横向初始动量必须大于某一临界值，才能穿过衍射环形成的势垒进入强场区。研究表明，衍射环的存在，使得场中出现了三类较为典型的加速通道：1．初始横向动量大于临界值的电子，可以穿过衍射环进入强场区并获得很好的加速，这一类电子具有较高的俘获加速份额，且出射能量散度较小；2．初始横向动量较小且入射角度也较小的电子，虽然能够绕过衍射环而进入强场区，但这个过程对光场的初始位相较敏感，加速平台（电子出射能量随光场初始位相的变化）不好；3．初始横向动量较小且入射角度较大的部分电子，有可能在衍射环处被俘获加速，但因为加速场的强度较弱，电子能量增益较小，这并不是理想的加速通道。总之，电子的初始入射条件是决定电子进入哪类加速通道，从而决定加速特性的重要参数。在第一类通道中，因为需要较大的横向动量，以较大角度入射的电子，依然能够被俘获加速。这时电子不会和激光聚焦镜相遇，可以直接入射到焦斑附近，而且，当电子束团和激光相互作用时，第一类通道能够产生准单色的电子束。论文研究了平顶高斯光束的特性和这种光束中的电子动力学特性。因为纵向电场分量的大小正比于横向电场的横向变化率，平项高斯光束横向电场在光束边缘下降的更快，因而具有更强的纵向电场。与高斯光束相比，腰宽相同时平顶高斯光束的衍射角更大。在相同的激光强度下，平顶高斯光束中电子更容易被俘获加速，允许的入射角度更大，出射能量更高。显然，激光强度、脉宽和焦斑大小相同时，平顶光束包含的能量比高斯光束多，所以电子出射能量的些许增加并没有太大的意义。电子最佳入射角度的增加则对简化实验方案的设计十分有利。依据理论结果和现有实验条件，提出利用激光辐照喷气靶产生相对论电子束，并将其注入到300TW激光焦斑附近，通过测量出射电子的空间分布和能谱，验证CAS机制是否有效。这一方案的一个优点是较易实现注入的电子团与激光脉冲的同步。论文给出了初步的实验安排和诊断方法，并通过模拟计算对实验中可能会遇到的一些问题作了简单的讨论。总之，本论文给出了平顶和聚焦平顶光束电磁场的解析表达式，证明在更接近实际光束的聚焦平顶光束中俘获加速依然有效，证实大角度入射的电子在平顶或聚焦平顶光束中依然能够被俘获和加速，给出了一个CAS原理验证性实验的初步方案。本论文所研究的内容不仅是重要的基础研究成果，而且对推动俘获加速机制的实验研究有指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 主要物理量单位说明
• 第一章 引言
• 1.1 激光加速带电粒子的研究进展
• 1.1.1 高功率激光装置的新进展
• 1.1.2 激光等离子体加速研究进展
• 1.1.3 真空激光加速研究进展
• 1.2 真空俘获加速机制及其进展
• 1.2.1 电子与激光相互作用模型
• 1.2.2 俘获加速机制的物理机理
• 1.2.3 已取得的主要结果
• 1.3 本文的主要内容
• 1.3.1 研究意义
• 1.3.2 研究内容
• 1.3.3 创新之处
• 第二章 平顶光束
• 2.1 高斯光束
• 2.2 平顶光束的描述
• 2.2.1 超高斯光束（SGB）
• 2.2.2 平顶高斯光束（FGB）
• 2.2.3 平顶多高斯光束（FMGB）
• 2.3 平顶高斯光束的电磁场表达式
• 2.4 小结
• 第三章 聚焦平顶光束中的电子动力学
• 3.1 聚焦平顶高斯光束的相速度分布
• 3.2 聚焦平顶高斯光束的场分布
• 3.3 聚焦平顶高斯光束中的电子动力学
• 3.4 衍射环对俘获加速的影响
• 3.5 小结
• 第四章 平顶光束中的电子动力学
• 4.1 平顶高斯光束的特性
• 4.2 平顶高斯光束中的电子动力学
• 4.3 小结
• 第五章 初步的俘获加速实验方案
• 5.1 理论依据
• 5.2 实验排布和测量
• 5.3 实验的计算机模拟
• 5.4 小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 在学期间发表论文列表
• 致谢