紧聚焦的超短超强激光脉冲在真空中加速斜入射的相对论电子

研究了紧聚焦的线偏振飞秒超强高斯激光脉冲俘获并剧烈加速斜入射低能相对论电子的效应 ，发现被俘获的电子在激光脉冲纵向有质动力的强大加速作用下，可以获得GeV量级的能量 ，并详细研究了入射电子的初能量、斜入射角、电子与激光脉冲的相对延迟时间和激光脉冲 宽度等条件对电子能量增益的影响，发现当激光脉宽超过10λ时，脉宽对电子能量增益影响 不大. 关键词： 电子加速 有质动力 能量增益 束腰     

长波长激光驱动Ni-like Ag 13.9 nmX射线激光的理论研究

 为了进一步深入理解掠入射驱动碰撞机制的特点与长处，以基频光正入射驱动为参照，用系列程序研究了6 mm和3 mm激光正入射驱动类镍银碰撞激发机制。在波长6 mm的激光正入射驱动下，激光能量直接沉积到增益区，大大提高了增益区的电子温度；以5 J驱动能量，获得有效增益系数为20.7 cm^-1的高增益和有效增益长度积为41.4的深度饱和增益，与波长1.053 mm的正入射相比，以19%的驱动能量，使有效增益系数提高了60%。在波长3 mm的激光正入射驱动下，激光能量沉积到增益区附近，大大提高了增益区的电子温度；以15 J驱动能量，获得有效增益系数为21.2 cm^-1的高增益和有效增益长度积为42.4的深度饱和增益，与波长1.053 mm的正入射相比，以57%的驱动能量，使有效增益系数提高64%。     

相对论飞秒激光脉冲在真空中对预加速电子的加速

通过求解电子运动的相对论方程，发现预加速电子在超强超短激光脉冲的作用下可以获得很高的能量增益. 飞秒激光脉冲的上升沿在焦点附近的区域有效加速电子后，电子和光脉冲一起传播一段距离（远大于瑞利长度）后，激光强度变得很弱，从而使脉冲下降沿对电子的减速作用可以忽略不计，因此电子只经历加速过程而没有被减速，当电子和光脉冲分离时，电子获得了很高的能量增益. 当光强为10¹⁹Ｗ／cm² ，电子的初始能量为MeV量级时，电子的能量增益可以达到01GeV. 进一步讨论了电子的能量增益与电子的初始条件与激光脉冲的参数之间的关系. 关键词： 电子加速 飞秒激光脉冲 能量增益     

紧聚焦的飞秒激光脉冲在真空中对电子的加速

研究了紧聚焦的圆偏振飞秒相对论高斯激光脉冲与电子的相互作用，提出了一种激光加速电子的新机制.利用束腰小、强度大的激光脉冲上升沿加速电子，束腰大、强度小的脉冲下降沿减速电子，当光脉冲和电子分离时，电子获得了能量增益.研究发现，初始静止的电子与强度高于10¹⁹Wμm^{2/cm2的光脉冲作用以后，可以获得MeV量级的能量.初始位于焦点附近的电子被加速的效果较好，而远离焦点的电子几乎不能获得能量增益. 关键词： 电子加速 能量增益 高斯脉冲 束腰}     

主脉冲参数和入射条件变化对等离子体状态的影响

用一维非平衡辐射流体力学程序，计算和分析了主脉冲激光斜入射与预脉冲垂直入射耦合作用锗靶介质的等离子体状态和激光增益区。研究表明，主脉冲以４０°斜入射与其垂直入射相比，在相同靶面功率密度下，电子、离子温度、等离子体烧蚀深度下降约１０％。在相同的靶面总能量下，４０°斜入射电子温度下降约１５％～２０％。采用主激光斜入射时间延迟技术，这种下降差别还会更小，能量吸收效率会更高，激光增益区更大。     

MCP输入电子能量与微光像增强器信噪比的关系

为了提高MCP像增强器亮度增益,在微光像增强器中采用了新的电子倍增机构,即微通道板（MCP）,并对作为电子倍增结构MCP的噪声产生机理进行分析。在MCP其他参数不变的条件下,通过调整MCP入射电子的能量和入射电子角度分布,优化了MCP最佳工作信噪比的工作条件,实现了优化MCP像增强器信噪比,提高了MCP像增强器的亮度增益。     

强激光与磁化等离子体作用中有质驱动对电子的加速研究

通过利用龙格一库塔方法分析了强激光与磁化等离子体中有质驱动对电子的加速问题。研究发现在磁化等离子体中，有质驱动使得电子沿轴方向发生横向振荡，电子获得高的能量增益，而在等离子体中产生的自生磁场引起的共振进一步加速了电子，使电子能量增益进一步提高。且最终电子能量趋向一个稳定值，电子在有质驱动作用下自动喷射出来，这在实际应用中容易控制，避免了使用抽取高能电子的提取器，这为新型台式加速器的设计提供了有益的理论指导。     

第三讲 激光在真空中加速电子

文章简要回顾了真空中激光加速电子的研究进展，着重介绍了真空俘获加速电子的动力学特点和物理机制．出现俘获加速（capture and acceleration scenario，CAS）的经典物理机制是聚焦激光束的衍射效应导致光波沿俘获电子轨迹的有效相速度减慢，以致电子有可能被长时间俘获在加速相位中并从激光场获得足够多的能量．CAS出现需要的入射动量的相空间不小，而且在实验上可以达到．此外，最佳入射动能对激光强度并不敏感，在小角入射时大约在10—20MeV．研究发现，CAS出现需要的激光场强相当高，电子获得的能量在电子进入CAS通道时急剧上升．此外文章还介绍了有质动力加速模型的特点和机制、附加磁场的加速机制．     

微通道板增益模型的首次碰撞问题

研究了入射电子首次碰撞微通道板(MCP)所产生的二次电子的初能量对基于“能量正比假设”的MCP增益模型的影响,给出的增益公式与实验结果在很大的电压范围内符合较好。     

用拉盖尔-高斯激光对真空中电子直接加速

对用拉盖尔-高斯(LG)光束加速电子作了研究.结果表明，仅模指数为p和l=1的LG光束的纵向电场可用于加速电子.模指数为p和l=1的线偏振和圆偏振LG光束都对电子有加速效果.对轴上光场的相速度和群速度以及电子能量增益等物理特征作了讨论.给出了轴上光场的相速度和群速度、加速电位及电子能量增益等的解析表达式，并作了数值计算和分析. 关键词： 激光电子加速 拉盖尔-高斯光束 线偏振和圆偏振 能量增益     

外加静电场的聚焦激光脉冲真空加速电子方案

采用五阶修正的聚焦激光光场方程模拟研究了由Singh提出的在电子和激光脉冲作用尾部阶段施加外场的加速方案,将Singh方案中采用的外加磁场改成了外加电场,并且考虑了光束的纵向电场和光束衍射效应.模拟结果显示,电子可以从加速相位阶段被外场导入下一个加速相位阶段而不进入减速相位阶段,因此电子能获得比不加外场方案更高的净能增益. 关键词： 强激光 激光加速     

Electron Acceleration in Wakefield and Supra-Bubble Regimes by Ultraintense Laser with Asymmetric Pulse

Electron acceleration in plasma driven by circularpolarized ultraintense laser with asymmetric pulse are investigatedanalytically and numerically in terms of oscillation-center Hamiltonian formalism. Studies include wakefield acceleration, which dominates in blow-out or bubble regime and snow-plow acceleration which dominates in supra-bubble regime. By a comparison with each other it is found that snow-plow acceleration has lower acceleration capability. In wakefield acceleration, there exists an obvious optimum pulse asymmetry or/and pulse lengths that leads to the high net energy gain while in snow-plow acceleration it is insensitive to the pulse lengths. Power and linear scaling laws for wakefield and snow-plow acceleration respetively are observed from the net energy gain depending on laser field amplitude. Moreover, there exists also an upper and lower limit on plasma density for an effective acceleration in both of regimes.     

Electron Acceleration by Beating of Two Intense Cross-Focused Hollow Gaussian Laser Beams in Plasma

This paper presents propagation of two cross-focused intense hollow Gaussian laser beams(HGBs) in collisionless plasma and its effect on the generation of electron plasma wave(EPW) and electron acceleration process,when relativistic and ponderomotive nonlinearities are simultaneously operative. Nonlinear differential equations have been set up for beamwidth of laser beams, power of generated EPW, and energy gain by electrons using WKB and paraxial approximations. Numerical simulations have been carried out to investigate the effect of typical laser-plasma parameters on the focusing of laser beams in plasmas and further its effect on power of excited EPW and acceleration of electrons. It is observed that focusing of two laser beams in plasma increases for higher order of hollow Gaussian beams,which significantly enhanced the power of generated EPW and energy gain. The amplitude of EPW and energy gain by electrons is found to enhance with an increase in the intensity of laser beams and plasma density. This study will be useful to plasma beat wave accelerator and in other applications requiring multiple laser beams.     

激光脉冲宽度对有质动力加速电子的影响

基于真空中单电子运动模型,编程计算得到了高斯激光脉冲与初始位于激光传播轴上电子的相互作用结果。不同激光参鼍条件下,得到了电子的能量增益与激光强度、焦斑大小和脉冲宽度关系。结果表明,高斯激光脉冲焦斑较大时,电子没有明显的能量增益,高斯激光脉冲焦斑太小时,电子也没有明显的能量增益。电子的能量增益有一个最佳焦斑大小。在相同激光强度下,电子能量增益的最佳焦斑大小随脉冲宽度的增大而增大,但最佳焦斑大小与脉冲宽度的比值基本上是不变的。     

Excitation of an upper hybrid wave by two intense laser beams and particle acceleration

This Letter presents an investigation of the excitation of an upper hybrid wave (UHW) by cross focusing of two intense laser beams in a collisionless hot magnetoplasma, when relativistic and ponderomotive nonlinearities are operative. The electric vectors of the two beams are polarized along uniform static magnetic field and the beams propagate perpendicular to the static magnetic field. Analytical expressions for the beam width of the laser beams, electric vector and power of the excited UHW and energy gain have been obtained. The UHW generation at the difference frequency and particle acceleration has also been studied. The nonlinear coupling between intense laser beams and UHW is so strong that UHW gets excited and a large fraction of the laser beam energy gets transferred to UHW and this UHW accelerates electrons. It has been shown that the presence of a magnetic field affects significantly the power of the UHW and energy gain by the electron in the presence of the UHW.     

高品质激光尾波场电子加速器

激光尾波场电子加速的加速梯度相比于传统直线加速器高了3—4个量级,对于小型化粒子加速器与辐射源的研制具有重要的意义,成为当今国内外的研究热点.台式化辐射源应用需求的提高,特别是自由电子激光装置的快速发展,对电子束流品质提出了更高的要求,激光尾波场电子加速的束流品质和稳定性是目前实现新型辐射源的首要障碍.本文归纳整理了中国科学院上海光学精密机械研究所电子加速研究团队十年来在研制台式化激光尾波场电子加速器过程中采取的方案和取得的进展.例如率先提出了注入级和加速级分离的级联加速方案,通过实验获得了GeV量级的电子束能量;基于级联加速方式利用能量啁啾控制,实验获得世界最高品质的电子束流;通过优化激光系统稳定性和特殊的气体喷流结构,获得稳定的高品质电子束流输出等.这一系列实验结果有利于进一步推进激光尾波场电子加速器的应用.     

激光尾波场驱动准连续小角度电子束研究进展

报道了在北京大学新建成的5 Hz 200 TW飞秒激光加速器实验装置上利用68 TW(1.7 J,25 fs)的激光与混合气体(99%He掺杂1%N_2)进行激光电子加速的初步实验结果与理论分析.在实验中观测到了最大截止能量为290 MeV的连续电子能谱,并且最大输出能量在一定的聚焦范围内基本不变.二维particle-in-cell模拟表明:电离注入导致电子不断注入,使得纵向相空间在激光传播几个毫米后基本被电子填满;之后相空间中电子分布基本保持稳定,随着激光传播距离的增加,输出电子最大能量几乎不变,这与实验观察到的最大输出能量随激光聚焦位置在一定范围内不变的现象一致.实验与模拟结果揭示了在当前实验条件下连续电离注入对电子束品质的影响,为今后进一步优化电离注入电子品质提供了依据.     

Further Acceleration of MeV Electrons by a Relativistic Laser Pulse

With the development of photocathode rf electron gun, electrons with high-brightness and mono-energy can be obtained easily. By numerically solving the relativistic equations of motion of an electron generated from this facility in laser fields modelled by a circular polarized Gaussian laser pulse, we find the electron can obtain high energy gain from the laser pulse. The corresponding acceleration distance for this electron driven by the ascending part of the laser pulse is much longer than the Rayleigh length, and the light amplitude experienced on the electron is very weak when the laser pulse overtakes the electron. The electron is accelerated effectively and the deceleration can be neglected. For intensities around 10¹⁹ W•μm²/cm², an electron's energy gain near 0.1 GeV can be realized when its initial energy is 4.5 MeV, and the final velocity of the energetic electron is parallel with the propagation axis. The energy gain can be up to 1 GeV if the intensity is about 10²¹ W•μm²/cm². The final energy gain of the electron as a function of its initial conditions and the parameters of the laser beam has also been discussed.