基于频域全息法的激光尾场测量技术研究

论文摘要

超短超强脉冲激光在稀薄等离子体中激发的等离子体振荡波（也称为尾场）用来加速电子,是目前激光驱动等离子体加速器的重要工作机制之一,因其具有超高加速梯度和较小的加速结构而具有广阔的应用前景,特别是激光尾场加速器（LWFA）在实验上已经被证明具有产生超高电场梯度（超过100GeV/m）的能力,因此成为当前国际学术界十分关注的前沿课题。激光尾场加速器产生相对论电子束的光束质量取决于等离子体振荡波的时空结构,能够直接观测这种结构对了解和控制激光尾场加速器的电子束输出是至关重要的。本论文的研究内容是:利用频域全息探测方法（Frequency-domain holography,FDH）,对以接近光速传播的等离子体波实现单束瞬态时空测量开展理论性研究。主要工作包括以下几个方面:1.简述激光—尾场电子加速器的需求背景、意义以及发展现状。重点介绍了基于频域干涉探测法（Frequency-domain interferometry,FDI）和频域全息探测法的激光尾场测量技术国内外进展,特别是针对近些年国际上有代表性的尾场测量技术方案及其技术指标进行了较为详细的调研分析。2.概括性地介绍了激光尾场的激励原理、加速电子的工作机制和四种技术方案。针对尾场的时空测量,特别介绍了超短超强脉冲激光与等离子体相互作用共振激发等离子体波的条件,尾场的时空特征及其对探测脉冲的相位调制,为测量实验参数的选择给出理论依据。3.由于频域全息探测方法的理论基础是两束啁啾脉冲之间的频谱干涉（SpectralInterferometry,SI）,因此对傅里叶变换频谱干涉技术（Fourier Transformation SpectralInterferometry,FTSI）的工作原理以及确定两束相干宽带脉冲之间相对延迟时间的方法进行了理论、模拟和实验上的研究。重点探讨了线性啁啾脉冲的频谱干涉技术的原理和特性。4.阐述频域全息探测技术的基本原理,对实现频域全息探测技术的两种方法:基于直接映射模式的频—时相移转换和基于傅里叶变换模式的频—时相移转换法分别进行了系统的理论分析,并对两种相移转换方法进行了比较。指出基于傅里叶变换模式的频—时相移转换法更适合激光尾场的瞬态时空测量。5.提出基于皮秒啁啾脉冲的频域全息测量法对激光尾场的瞬态时空演变进行实时测量的方案。基于小信号下啁啾高斯脉冲的宽带二次谐波的频谱特性,在理论上和实验验证两个方面展开共轴光路下参考脉冲.探测脉冲产生机制的研究。6.基于中国工程物理研究院激光聚变研究中心的SILEX-Ⅰ超短激光装置平台,以800nm,30fs,30TW脉冲作为泵浦光,400nm,1ps啁啾脉冲作为参考-探测光脉冲对,展开尾场测量的实验设计。并根据频域全息方法激光尾场探量技术的理论分析,对各光路中所需的光学实验参数进行理论计算。为具体实验实施打下理论基础。在低密度等离子体中激发尾场来加速电子,是一个非常复杂的过程,将受多种不稳定性的制约。本文通过对基于频域全息方法探测尾场瞬态时空变化的理论研究,对实现尾场的实时测量和控制,以获得高质量的高能电子具有非常重要的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 尾场加速器的发展
• 1.1.1 尾场加速电子的提出
• 1.1.2 激光等离子体加速器的最新进展
• 1.2 激光驱动等离子体波的时空测量
• 1.2.1 激光驱动的等离子体波时空特征
• 1.2.2 尾场的时空探测
• 1.3 激光-尾场精密测量的国内外进展
• 1.3.1 频域干涉测量技术（FDI）
• 1.3.2 频域全息测量技术（FDH）
• 1.4 本论文的主要研究工作
• 第二章 激光尾场中的电子加速
• 2.1 等离子体的基本概念和特性
• 2.2 激光驱动等离子体加速电子的基本方案
• 2.3 短脉冲激光尾场（LWFA）的激励
• 2.4 尾场对探测光脉冲的相位调制
• 2.5 本章小结
• 第三章 线性啁啾脉冲的频谱干涉技术
• 3.1 数字信号的离散傅里叶变换
• 3.2 傅里叶变换的频谱干涉技术
• 3.3 参考—探测脉冲时间延迟的测定
• 3.4 线性啁啾脉冲的频谱干涉技术
• 3.5 本章小结
• 第四章 单束测量啁啾脉冲瞬态时域相移技术的理论分析
• 4.1 基于直接映射模式的线性啁啾脉冲频—时相移转换的研究
• 4.1.1 基本原理
• 4.1.2 数值模拟
• 4.1.3 频域—时域相移转换的精度分析
• 4.2 基于傅里叶变换模式的啁啾脉冲频域—时域相移转换的研究
• 4.2.1 啁啾脉冲频域—时域相移转换的理论分析
• 4.2.2 以线性啁啾脉冲为信息载体的全息特性
• 4.2.3 频—时相移转换中的时间分辩
• 4.2.4 频—时相移转换中的误差转换
• 4.2.5 数值模拟
• 4.3 两种频-时相移转换模式的比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于频域全息法激光尾场测量的技术论证
• 5.1 基于频域全息法（FDH）尾场时空变化检测技术的基本原理
• 5.1.1 FDH尾场检测的原理
• 5.1.2 FDH检测方法的设计思想
• 5.2 小信号下啁啾高斯脉冲宽带二倍频理论分析
• 5.2.1 二次谐波转换耦合波方程组
• 5.2.2 小信号下啁啾高斯脉冲的二次谐波转换
• 5.2.3 二次谐波的频谱特性
• 5.2.4 小结
• 5.3 共轴光路中参考-探测光脉冲对的产生机制
• 5.3.1 参考-探测光脉冲共轴光路设计
• 5.3.2 参考-探测光脉冲对的产生及其相对时间延迟的模型分析
• 5.4 基于SILEX-I超短激光装置平台的尾场测量实验方案设计
• 5.4.1 SILEX-I超短激光装置简介
• 5.4.2 实验光路设计
• 5.5 激光尾场测量实验光学器件的参数设计
• 5.5.1 泵浦光光路参数的设置
• 5.5.2 参考—探测脉冲光路光学器件的参数设计
• 5.6 单元技术验证实验
• 5.6.1 二次谐波频谱特性的实验论证
• 5.6.2 共轴光路产生参考-探测脉冲对的实验论证
• 5.6.3 由色散光学元件引入的参考脉冲频谱相移的测量
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间发表论文及参加学术活动情况