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,激光加速带电粒子方案受到了广泛重视。虽然近几年激光等离子体加速粒子在实验上取得了重大突破,但是,在真空加速,可以避免气体击穿、介质损伤或等离子体不稳定性等不利因素。目前为止,真空加速方案提出了许多,其中主要的加速机制有两种,即慢电子入射的有质动力加速和快电子入射的俘获加速。对于径向分布为高斯型的基模高斯光束,当入射电子在近轴区域时会受到很强的横向离轴有质动力力,电子因此很快被排斥出强光场区而不能获得有质动力力很好的加速。俘获加速需要加速区有较强的纵向电场分布和加速波场低的相速度分布,对于径向分布为高斯型的基模高斯光束,中心的横向电场最强而纵向电场几乎为零、相速度远远大于光速,也就是真正强场区域并不有利于俘获加速。于是人们提出采用高阶模的高斯光束来加速电子。原则上高阶模可以提供更强的纵向加速电场,这可能有利于俘获加速。此外,与基模光束相比,高阶模高斯光束近轴区光场强度分布总体比较平坦,这使得中心区横向离轴有质动力力大大减弱,这可能有利于纵向有质动力加速。人们采用高阶厄米—高斯光束加速的研究工作已有不少,但是采用高阶拉盖尔—高斯(LG)光束加速的全面研究工作很少。本论文首先分析了拉盖尔—高斯(LG)光束的电场分布和相速度分布特点,给出了相关的电场和相速度表达式。对于模式的阶数变化对拉盖尔—高斯(LG)光束纵向电场和相速度的影响作了分析。文中选取两个典型的高阶拉盖尔—高斯(LG)光束(即(ρ=4,e=0)模和(ρ=4,e=1)模作为例子,系统研究了它们的电场分布、相速度分布,并与基模光场作了对比和分析。此外,模拟研究了它们在真空中加速电子并和基模光束加速情况作了比较。我们发现对于低能入射电子的有质动力加速,高阶拉盖尔—高斯(LG)模光束表现出明显的优势,特别是相同的ρ而e＞0的高阶模效果更好。与人们一般预期相反,对高能入电子的俘获加速,有强的纵向电场分布的高阶拉盖尔—高斯(LG)模光束加速效果比基模差得多,但是相同的ρ,e＞0的高阶模效果比相同的ρ,e=0的高阶模要好。结合有质动力加速和俘获加速机制对我们的模拟结果作了分析。