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     

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}     

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     

微通道板动态特性的数值模拟

对皮秒高压脉冲驱动下微通道板中电子的渡越时间特性和增益特性进行了数值模拟,在电压脉冲波形分别为高斯形、三角形和梯形时,得到了电子渡越时间与电压脉冲宽度、幅度的关系曲线。在考虑入射电子为一高斯电子脉冲的情况下,获得了增益曲线的半峰全宽和峰值随脉冲电压幅度、宽度的变化规律。分析结果表明：当微通道板两端所加电压为梯形波时,微通道板中电子的渡越时间特性和增益特性较加三角波和高斯波要好。     

激光诱导Ti等离子体电子温度的实验研究

室温,常压下,利用Nd∶YAG脉冲激光器产生的波长为1 064 nm, 脉宽12 ns,能量分别180, 230和280 mJ的脉冲激光冲击Ti靶,使用中阶梯光栅光谱仪检测了三种激光能量下对应的光谱。调节延时器DG645的延迟时间,检测了延迟0～500 ns时间范围内Ti等离子体对应激光能量下的发射光谱,分析光谱,可以得到了九条不同的的TiⅠ 和TiⅡ等离子体谱线,证明在该实验条件下,Ti靶能够充分吸收能量电离且离子谱线具有不同的演化速率,利用Saha-Boltzmann法计算并分析Ti等离子体电子温度,实验结果表明：相同的延迟时间,激光能量越大,谱线相对强度越大,电子温度越高,谱线相对强度的变化量随激光能量的变化量增大而增大;在延时0～150 ns内,三种激光能量下的等离子体电子温度和谱线的相对强度都随延迟时间的增加而快速下降,其中280 mJ激光能量下的等离子体电子温度和谱线强度下降速率较快;在150～250 ns范围内,电子温度和谱线强度均随延迟时间的增加有一个缓慢的上升,180 mJ激光能量下的等离子体电子温度和谱线强度的上升速率较快。250～500 ns范围内,三种激光能量下的电子温度和谱线强度均随延迟时间的增加而缓慢下降。     

光学成像法和穿孔法测量飞秒激光焦斑特征

 超短超强激光焦斑参数的精确测量是深入开展精密物理实验的前提。在SILEX-Ⅰ激光装置上,采用光学成像法和穿孔法测量了μJ级能量下的激光焦斑特性,采用光学成像方法得到了激光主瓣大小及能量集中度信息,通过穿孔法得到了激光能量透过率与不同大小孔径的关系曲线,并对两种方法得到的测量结果进行了比对研究。研究结果表明,光学焦斑测量法和穿孔法都可以比较准确地反映激光焦斑的能量分布情况,得到的能量分布偏差小于10%。     

高能电子与超强激光束作用产生的阿秒脉冲列

利用非线性汤姆孙散射的理论，从理论和数值模拟上研究了单电子在横向穿越高斯激光束束 腰时所辐射的x射线阿秒脉冲列的性质. 主要分析了电子以初始能量γ₀=1M eV—100M eV横向穿越激光振幅参数为a₀=1—10的高斯光束束腰获得的阿秒辐射脉冲的 时间 和空间性质. 计算表明，辐射呈现脉冲列的形式. 脉冲列的包络宽度取决于激光强度、束腰 的宽度以及入射电子能量. 电子的初始能量比激光强度对电子辐射脉冲的影响更大. 辐射脉 宽、脉冲间隔和脉冲包络宽度都正比于1/γ²₀，辐射功率正比于 γ⁶₀，辐射能 量正比于γ⁴₀. 当改变激光振幅a₀时，辐射功率正比 于a²₀、辐射包络中单 个脉冲脉宽正比于1/a₀、脉冲之间的间隔正比于a₀. 当保持激光强 度不变，而改变光束 束腰半径w₀时，辐射的脉冲数量、包络和辐射能量正比于w₀. 当 激光功率保 持不变时而改变激光强度和束腰半径时，脉冲包络宽度和最大辐射能量都基本不变. 当激光 振幅参数a₀=1，电子初始能量为10MeV时，激光束腰为两个激光波长时，电子 辐 射脉冲包络宽度只有14×10^-3τ₀（τ₀为入 射激光周期），达到几个阿秒的量级. 关键词： 阿秒脉冲 非线性汤姆孙散射 高斯激光光束     

飞秒激光烧蚀石英玻璃的实验与理论研究

实验研究了800nm飞秒激光作用下石英玻璃的破坏机理和烧蚀规律，给出了破坏阈值与脉冲宽度的关系.发展了雪崩击穿模型，计算了材料的烧蚀阈值与脉冲宽度的依赖关系，烧蚀深度、烧蚀体积与脉冲能量的依赖关系，研究了导带电子的扩散对材料中激光能量的沉积、分布，以及材料的破坏阈值和烧蚀规律的影响. 关键词： 飞秒激光脉冲 破坏机理 石英玻璃 电子扩散     

高斯脉冲在半导体光放大器中传输的解析表征

采用解析方法,在考虑材料损耗和色散的情况下,详细研究了无啁啾高斯脉冲和啁啾高斯脉冲在半导体光放大器中传输的物理过程,分析了强度增益、脉冲宽度和频率啁啾与线宽增强因子、色散系数、小信号增益特征参数及初始啁啾之间的关系。结果表明:当输入变换极限的高斯脉冲时,色散会引起增益压缩,脉冲展宽和频率啁啾;同样情况下,线宽增强因子越大,脉宽加宽越明显,输出脉冲啁啾越大,且随着线宽增强因子的增大,输出脉冲啁啾极大值向特征参数值较小的一边移动。当输入啁啾高斯脉冲时,初始脉冲啁啾越大,增益压缩越明显,啁啾系数为正时,脉冲单纯展宽,输出啁啾随特征参数的增大而逐渐减小,啁啾系数为负时,初始啁啾与群速度色散导致的啁啾相互竞争,致使脉冲先被压缩后被展宽;脉冲最窄处对应的特征参数随线宽增强因子的增大而先增大后减小,输出啁啾随特征参数的增大而经历振荡后趋于平稳。     

强激光脉冲在部分离化等离子体中的传播特性

采用变分法给出了强激光脉冲在部分离化等离子体中传播的参数演化方程,其中考虑了相对论自聚焦、有质动力激发尾波场以及部分离化非线性极化强度的影响。通过非线性动力学分析的方法,得到了强激光脉冲以恒定焦斑半径传播时的激光、等离子体参数匹配条件。研究表明:在部分离化等离子体中,激光自聚焦随着电离程度的增大而增强;有质动力激发的尾波场进一步增强激光脉冲的自聚焦;相对于等离子体密度而言,激光强度对激光脉冲的自聚焦更有影响。     

超短超强激光导引及对电子加速的影响

使用粒子模拟程序对30 fs超短超强激光在均匀与抛物型两种密度分布等离子体中的传输, 以及在稳定传输状态下尾场的电子注入与加速形成的电子能谱进行了模拟与分析. 固定入射激光束斑尺寸, 在(0.4-2)×10¹⁹/cm³等离子体密度范围, 对比分析了归一化峰值强度从1-6范围的激光脉冲在上述两种密度分布等离子 体中传输时激光束斑尺寸的演化, 结果表明抛物型分布的等离子体密度通道能够对超短超强脉冲实现良好的导引, 有利于高能电子加速. 对于较高密度情况,即使在均匀等离子体中依靠相对论自聚 焦等机制也可以实现良好的自导引传输,有利于实验简化以及产生更大电量的加速电子.     

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.     

高频激光脉宽对原子光电子发射谱的影响

采用广义含时伪谱方法数值求解原子在激光脉冲作用下的动量空间含时薛定谔方程,研究了高频激光脉宽对原子光电子发射谱的影响.数值模拟表明,随着激光脉冲宽度的增加,光电子谱干涉结构的振荡幅值逐渐减小,其最大峰值的强度和位置取决于产生有效电离的最大即时强度.通过分析光电子谱的变化规律能进一步加深对高频强场电离产生的动力学干涉效应的理解.     

On the focusing limit of high-power femtosecond laser pulse propagation in air

Focused propagation of high-power femtosecond laser radiation in air is considered. Based on numerical solution of the nonlinear Schr?dinger equation for complex envelope of light wave electric field, evolution of the beam effective radius is studied. The dependence of the effective (rms) size of a focal spot and the maximally achievable intensity of laser radiation at focal waist on the initial pulse power is established. It is shown that focal spot of tightly focused intensive ultrashort laser radiation can change its size during the pulse passage through the beam waist. This is the consequence of pulse intensity clamping in region of beam focusing caused by gas photoionization and plasma producing. This may prevent laser intensity from its further growth in the focal region and arrest the transversal compression of the beam in the linear focus as a whole.     

Intense laser beam guiding in self-induced electron cavitation channel in underdense plasmas

In underdense plasmas, the transverse ponderomotive force of an intense laser beam with Gaussian transverse profile expels electrons radially, and it can lead to an electron cavitation. An improved cavitation model with charge conservation constraint is applied to the determination of the width of the electron cavity. The envelope equation for laser spot size derived by using source-dependent expansion method is extended to including the electron cavity. The condition for self-guiding is given and illuminated by an effective potential for the laser spot size. The effects of the laser power, plasma density and energy dissipation on the self-guiding condition are discussed.     

Study on the effect of laser parameters on wakefield excitation in femtosecond pulsed laser–plasma interaction using PIC method

Propagation of an intense short laser pulse through under-dense plasma can produce huge amplitude plasma wake field. A 3D particle in cell (PIC) method was used to simulate the wakefield generation for different laser parameters such as intensity, pulse duration, spot size and temporal pulse shape. Our study shows that the amplitude of wakefield is increased with laser intensity, but it is decreased with spot size. The results for pulse shape and pulse duration depend on their optimum values.     

Particle simulation on electron acceleration process by the laser ponderomotive force in inhomogeneous underdense plasma layers

The mechanism of electron ponderomotive acceleration due to increasing group velocity of laser pulse in inhomogeneous underdense plasma layers is studied by two-dimensional relativistic parallel particle-in-cell code. The electrons within the laser pulse move with it and can be strongly accelerated ponderomotively when the duration of laser pulse is much shorter than the duration of optimum condition for acceleration in the wake. The extra energy gain can be attributed to the change of laser group velocity. More high energy electrons are generated in the plasma layer with descending density profile than that with ascending density profile. The process and character of electron acceleration in three kinds of underdense plasma layers are presented and compared.     

超强圆偏振激光直接加速产生超高能量电子束

研究表明, 峰值强度为10²²–10²⁵ W/cm²量级的圆偏振激光脉冲的有质动力场可以直接加速并产生GeV–TeV的单能电子束, 其中被加速电子的能量与激光脉冲的峰值强度成线性定标关系. 为了获得更高能量的电子束, 通过对一维解析模型的分析得到: 如果电子束在激光传播的方向上具一个初始能量E₀, 那么这种线性的定标关系可以被打破, 被加速电子束最终的能量可以被放大E₀倍. 这是由于具有一定初始能量的电子束不容易被激光脉冲抛在后面, 进而获得更高的加速距离. 二维粒子模拟结果显示: 当电子束的初始能量E₀为MeV量级时这个方法是有效的, 而当E₀过大时这个方法失效. 这是因为当电子的加速距离远大于激光脉冲的瑞利长度时, 激光强度的衰减使得电子束的加速错过了最佳加速场.