真空中激光傳輸及其加速電子研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)的快速發(fā)展，新型強(qiáng)激光電子加速器已成為強(qiáng)場(chǎng)物理研究熱點(diǎn)之一。作為激光加速電子技術(shù)的理論基礎(chǔ)，激光傳輸理論和激光加速機(jī)制的研究已經(jīng)引起了人們的廣泛關(guān)注。
　　 激光加速電子的最終目的是將電子加速到GeV甚至TeV的能量，這需要采用超強(qiáng)激光束。在實(shí)驗(yàn)室中，為了獲得超強(qiáng)激光束，需要將激光束聚焦到很小尺寸（約幾個(gè)微米），這時(shí)，激光電磁場(chǎng)的傍軸描述就不再準(zhǔn)確，必須采用非傍軸描述。本文分別給出了非傍軸條件下高斯光

2、束電磁場(chǎng)的角譜表示、Lax級(jí)數(shù)表示、Weniger變換表示、傅里葉-貝塞爾級(jí)數(shù)表示和Chaumet級(jí)數(shù)表示，并對(duì)上述幾種場(chǎng)表示方法的適用范圍進(jìn)行了研究和討論。Lax級(jí)數(shù)方法能夠很好的表征焦點(diǎn)區(qū)域高斯光束的電磁場(chǎng)性質(zhì)，然而，Lax級(jí)數(shù)具有發(fā)散的屬性，并且，這種發(fā)散性隨著聚焦半徑的減小會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重。Weniger變換方法可以有效的消除Lax級(jí)數(shù)的發(fā)散性，并且，隨著修正階數(shù)的增加Weniger變換表示變得更加準(zhǔn)確?；诟咚构馐姶艌?chǎng)角譜表示，本

3、文提出了傅里葉-貝塞爾級(jí)數(shù)表示，并且和同樣源于角譜表示的Chaumet級(jí)數(shù)表示進(jìn)行了比較。Chaumet級(jí)數(shù)表示只在焦點(diǎn)區(qū)域有效，而傅里葉-貝塞爾級(jí)數(shù)表示在全空間都有效。
　　 在真空緊聚焦高斯光束加速電子的研究方面，本文首次證實(shí)了在多數(shù)情況下采用電磁場(chǎng)Lax級(jí)數(shù)表示的模擬計(jì)算結(jié)果存在較大的數(shù)值誤差，而采用Weniger變換表示模擬可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。在線性偏振高斯光束加速電子研究方面，本文模擬和分析了反射、透射、外入射俘獲和內(nèi)

4、入射俘獲情況下電子在強(qiáng)激光場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。此外，研究發(fā)現(xiàn)橫向電場(chǎng)對(duì)電子能量增益至關(guān)重要。只有當(dāng)電子被橫向場(chǎng)俘獲后，才能被加速到較高能量。在徑向偏振高斯光束加速電子研究方面，由于電磁場(chǎng)Lax級(jí)數(shù)表示的發(fā)散性，只有對(duì)電子初始位置在束腰半徑以內(nèi)、出射角很小并且電子初始能量也較小的情況下才可以采用Lax級(jí)數(shù)表示來(lái)模擬。在絕大多數(shù)情況下，Lax級(jí)數(shù)表示不再適用，必須采用Weniger變換表示來(lái)進(jìn)行模擬。此外，電子從焦點(diǎn)沿著光軸出射時(shí)，電子能獲得

5、最高能量。電磁場(chǎng)初始相位對(duì)電子能量增益影響很大，但是，電子初始能量對(duì)電子能量增益幾乎沒有影響。
　　 本文首次研究了真空緊聚焦啁啾高斯激光脈沖加速電子機(jī)制和附加橫向靜磁場(chǎng)引起的電子連續(xù)加速機(jī)制。通過(guò)引入合適的頻率啁啾能夠使電子更長(zhǎng)時(shí)間的處于加速位相，從而獲得更高的能量增益。和松聚焦情況相比，緊聚焦激光脈沖擁有更高的峰值光強(qiáng)，從而可以將電子加速到更高的能量。在模擬研究緊聚焦啁啾高斯激光脈沖加速電子時(shí)，電磁場(chǎng)必須要采用非傍軸表示。電

6、子初始位置位于激光脈沖前端更容易獲取高能量，另外，電子能量增益隨電子初始縱向速度、激光光強(qiáng)和脈沖寬度的增加而近似線性增長(zhǎng)，隨電磁場(chǎng)位相呈周期變化。附加橫向靜磁場(chǎng)在啁啾高斯激光脈沖加速電子過(guò)程中對(duì)電子能量增益有重要貢獻(xiàn)。利用合適強(qiáng)度的橫向靜磁場(chǎng)可以將被首次加速后且逐漸遠(yuǎn)離強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的電子重新拉回強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)電子的二次加速并獲取了更高的能量增益。在存在附加橫向靜磁場(chǎng)的情況下電磁場(chǎng)初始位相和電子初始能量對(duì)電子能量增益都有重要影響。
　　

7、 通過(guò)對(duì)真空中Airy巧光束電磁場(chǎng)傳輸性質(zhì)的研究，本文首次提出了基于Airy光束加速電子方案。由于Airy巧光束的橫向自加速性，一維Airy光束電磁場(chǎng)在傳播軸附近形成了一條“非對(duì)稱場(chǎng)通道”。在“非對(duì)稱場(chǎng)通道”內(nèi)，電磁場(chǎng)橫向不對(duì)稱，強(qiáng)度幾乎不隨衰減因子的變化而改變，并且，電磁場(chǎng)位相變化較緩慢。當(dāng)電子進(jìn)入到“非對(duì)稱場(chǎng)通道”后，電子能夠被通道內(nèi)電磁場(chǎng)俘獲并持續(xù)加速到很高能量。對(duì)于俘獲情況，電場(chǎng)橫向分量和縱向分量都為電子能量增益提供了重要貢獻(xiàn)

8、，而對(duì)于反射情況，只有電場(chǎng)橫向分量為電子能量增益做了重要貢獻(xiàn)。此外，電子能量增益不會(huì)隨衰減因子的增加而減?。痪哂休^大入射能量和較小入射角的電子更容易獲得高能量增益。
　　 本文首次提出了真空中交叉Airy光束加速電子機(jī)制。根據(jù)Airy光束相對(duì)位置和橫向加速特性，本文設(shè)計(jì)了“面對(duì)面”式和“背對(duì)背刀式交叉機(jī)制。這兩種交叉機(jī)制的臨界狀態(tài)稱為“零距離”交叉機(jī)制。對(duì)于一維交叉Airy光束，在交叉軸上，橫向電磁場(chǎng)分量相互抵消，縱向電場(chǎng)分量相

9、互疊加。由于干涉原因，“面對(duì)面”交叉機(jī)制可以在傳播軸上形成兩個(gè)強(qiáng)電磁場(chǎng)區(qū)，“背對(duì)背”交叉機(jī)制在傳播軸上只形成一個(gè)強(qiáng)電磁場(chǎng)區(qū)。對(duì)于每種交叉機(jī)制，光束偏轉(zhuǎn)角控制了激光強(qiáng)場(chǎng)區(qū)的分布。電子沿著交叉軸入射，可以避免橫向電磁場(chǎng)的干擾，只受到縱向電場(chǎng)的作用。相比于“零距離”和“背對(duì)背”交叉機(jī)制，“面對(duì)面”交叉機(jī)制可以連續(xù)二次加速電子，從而使電子獲得更高的能量增益。和具有相同總功率單——維Airy光束相比，交叉一維Airy光束能夠在更短的距離內(nèi)將電子加

10、速到更高的能量。此外，光束具有較小非零偏轉(zhuǎn)角和電子具有較大入射能量都有利于電子獲取較高能量增益，并且，電磁場(chǎng)初始位相對(duì)電子能量增益影響也很大。本文還研究了雙交叉和四交叉二維Airy光束傳輸性質(zhì)。通過(guò)控制光束交叉機(jī)制和光束相對(duì)距離，可以得到不同的規(guī)律性光強(qiáng)干涉分布。
　　 本論文的研究在一定程度上豐富和完善了有關(guān)真空中激光傳輸和強(qiáng)激光加速電子的研究，尤其是Airy光束加速電子方案的提出，對(duì)無(wú)衍射光束加速電子機(jī)制的發(fā)展具有一定的指導(dǎo)