真空激光加速初始条件对加速效果的影响

论文摘要

由于强激光技术的发展和人们对高效低造价的高能粒子加速器的需求,激光加速粒子方案受到了广泛重视。近几年激光等离子体加速粒子在实验上取得了重大突破,人们已经能够通过激光加速获得GeV的单能电子束,同时,真空激光加速粒子的研究也取得很大进展。模拟结果显示,电子从真空中自由传播的激光束的侧面入射可被俘获在加速相位并获得可观的能量增益,电子出射的能量对其入射的角度、动量和感受到的激光初相位等参数非常敏感,而且这些参数的影响相互间也有密切关联。在以前工作的基础上,本论文针对入射角度以及入射动量横向、纵向分布对电子出射能量的影响做了深入的研究,进一步加深了对真空俘获加速机制的理解,而且也为实验工作提供了参数选择的判断依据。本文首先介绍了真空激光远场加速机制中两种典型的模型——有质动力加速和真空俘获加速。有质动力加速是利用了聚焦光场的分布不均匀性,将电子在光场中的运动近似处理为在一个有质动力势场里运动。这种处理方法在激光场强度比较低的时候能很好的描述电子的行为,当光场强度特别强或者电子速度很大时,有质动力势模型开始失效。俘获加速的经典物理机制是聚焦光束的衍射效应导致光波沿俘获电子的轨迹的有效相速度减缓,以致电子有可能被长时间俘获在加速相位中并从激光场中获得可观的能量增益。电子的入射角度θi,其入射时感受到的激光场的相位φ都与加速效果直接相关,并且这种影响不是独立的,而是相互关联的。如果固定电子的入射动量和入射时激光场的相位,其出射能量将对入射角度十分敏感。电子能获得较大能量增益的入射角度区域是不连续的,被分割为许多小的区间。我们通过模拟计算和理论分析发现,这是由于φ急剧变化而产生的。若减小甚至消除φ的影响,这种分割现象将会减弱甚至消失。在研究中我们还发现,电子最大出射能量形成的包络线在一个入射角度区域形成了一个凹谷,即在这个角度区域入射的电子几乎不能获得净能增益。这个凹谷的出现与否不受φ的影响。研究了电子最大出射能量γfm在由入射动量横向分量pxi、纵向分量pzi组成的二维空间的分布后,我们发现不但电子入射动量的大小,其不同方向的分量也在电子与激光的相互作用中扮演着重要的角色。在pzi-pxi平面上,能获得较大γfm的区域是连通的,在区域的前部存在一个缺口,它与γfm-θi曲线中的凹谷相对应。缺口的出现是因为系统本身的非线性特征导致最大出射能量对入射动量的横向、纵向分布某些区域的不敏感。同时我们还研究了哪些动量区间最适合用来加速电子以及激光腰宽的影响。由于利用基模高斯激光加速电子时对激光强度要求较高,人们提出利用开槽光束来加速电子。开槽光束的光场强度在传播轴附近变得很小,就像一个平顶光束被切开了一样。所以开槽光束可以用两束平行的平顶光束叠加的方法来描述。通过计算分析,发现两束平顶光束之间的距离（2N+1）w0+d以及相位差△φ都对开槽光束的纵向电场和最小相速度有显著影响。真空激光加速作为一种新兴的电子加速机制,有待人们对其理论不断完善并且从实验上验证它的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要物理量单位说明
• 第一章 引言
• 1.1 激光技术的发展
• 1.2 激光加速技术的发展
• 第二章 真空激光加速和光场描述
• 2.1 有质动力加速模型
• 2.2 真空激光俘获加速模型
• 2.3 高斯激光场的精确描述
• 小结
• 第三章 电子入射角对真空加速的影响
• 3.1 电子入射角度与出射能量之间的关系
• 3.2 电子入射时感受到的激光场相位（φ）的影响
• 3.3 电子入射动量的影响
• 小结
• 第四章 最大出射能量在入射动量空间的分布
• 4.1 入射动量横向、纵向分布的影响
• 4.2 最佳入射区域
• fm在P_zi-P_xi平面的分布'>4.3 不同腰宽下γ_fm在P_zi-P_xi平面的分布
• 小结
• 第五章 开槽激光束的光场结构特点
• 5.1 开槽激光束的光场描述
• 5.2 开槽光束的纵向电场分布
• 5.3 相速度的分布情况
• 小结
• 总结
• 参考文献
• 在学期间发表论文列表
• 致谢