纳秒激光脉冲在空气中聚焦的临界自由电子密度问题

实验研究了高功率纳秒量级激光脉冲在空气中聚焦时的能量透过率随输入激光脉冲能量变化的规律，发现在纳秒激光脉冲聚焦半径相同的情况下，激光脉冲的能量透过率随入射激光脉冲能量的变化可分为三种情况：当入射激光脉冲能量较低时，激光脉冲能量全部通过；当入射激光脉冲能量增大后，激光脉冲的能量透过率由近100%迅速减小；当入射激光脉冲的能量进一步增加时，激光脉冲的能量透过率继续缓慢变小.用临界自由电子密度以及所对应的临界时间点对上述实验现象进行了理论分析得到了如下结论：当自由电子密度未达到临界自由电子密度时，多光子电离过程起主要作用，而当自由电子密度超过临界自由电子密度后，逆韧致吸收过程起主要作用，临界时间点是入射激光脉冲与空气作用过程中自由电子密度达到临界自由电子密度的时刻.入射激光脉冲能量决定了临界时间点在脉冲作用时间上的位置，临界时间点的位置决定了激光脉冲的能量透过率.可以通过测量激光脉冲的能量透过率来计算出临界自由电子密度，从而确定出激光脉冲在空气中聚焦时的能量透过特性. 关键词： 临界自由电子密度 临界时间点 多光子电离 逆韧致吸收     

Laser-driven relativistic electron dynamics in a cylindrical plasma channel

The energy and trajectory of the electron, which is irradiated by a high-power laser pulse in a cylindrical plasma channel with a uniform positive charge and a uniform negative current, have been analyzed in terms of a single-electron model of direct laser acceleration. We find that the energy and trajectory of the electron strongly depend on the positive charge density, the negative current density, and the intensity of the laser pulse. The electron can be accelerated significantly only when the positive charge density, the negative current density, and the intensity of the laser pulse are in suitable ranges due to the dephasing rate between the wave and electron motion. Particularly, when their values satisfy a critical condition,the electron can stay in phase with the laser and gain the largest energy from the laser. With the enhancement of the electron energy, strong modulations of the relativistic factor cause a considerable enhancement of the electron transverse oscillations across the channel, which makes the electron trajectory become essentially three-dimensional, even if it is flat at the early stage of the acceleration.     

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。     

电子在激光驻波场中运动产生的太赫兹及X射线辐射研究

采用单电子模型和经典辐射理论分别对低能和高能电子在线偏振激光驻波场中的运动和辐射过程进行了研究. 结果表明: 垂直于激光电场方向入射的低速电子在激光驻波场中随着光强的增大, 逐渐从一维近周期运动演变为二维折叠运动, 并产生强的微米量级波长的太赫兹辐射; 高能电子垂直或者平行于激光电场方向入射到激光驻波场中, 都会产生波长在几个纳米的高频辐射; 低能电子与激光驻波场作用中, 激光强度影响着电子的运动形式、辐射频率以及辐射强度; 高能电子入射时, 激光强度影响了电子高频辐射的强度, 电子初始能量影响着辐射的频率; 电子能量越高, 产生的辐射频率越大. 研究表明可以由激光加速电子的方式得到不同能量的电子束, 并利用电子束在激光驻波场的辐射使之成为太赫兹和X射线波段的小型辐射源. 研究结果可以为实验研究和利用激光驻波场中的电子辐射提供依据.     

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     

激光作用下纳米限域介质材料中的电子加速过程

采用蒙特卡罗方法模拟了1064 nm,GW/cm²级脉冲激光辐照下,纳米尺度材料中电子迁移及加速过程.电子在激光场中迁移的过程涉及晶格散射、表面散射以及碰撞电离等作用.结果表明:材料的尺度小到一定程度后,表面散射作用主导电子散射过程,小尺寸限制效应表现明显,电子很难有效地吸收激光能量.研究结果对分析具有纳米尺度微结构材料的激光损伤行为提供了依据.同时,根据该小尺寸限制效应可以设计出具有新型纳米微结构的高激光损伤阈值薄膜. 关键词： 激光辐照 小尺度效应 电子加速 蒙特卡罗模拟     

超短脉冲强激光场中电子剩余能计算

为了控制光场感应电离等离子体的温度以使得基于光场感应电离机制的X射线激光辐射获得更高的增益值，利用准静态隧道电离模型，定量计算了电子剩余能量与激光偏振参量、波长(频率)、激光强度以及电离介质电离能的变化关系。计算结果表明线偏振短波长激光以及高电离能介质产牛的等离子体中电子剩余能比较低，因此适合用作复合机制X射线激光；对于低价离子存偏振度α介于0～1之间的某一处最高，因此，可以通过调整偏振度α，获得某一椭圆偏振光，会更有利于基于光场感应电离电子碰撞机制X射线激光增益的提高。     

不同实验条件对激光诱导等离子体的影响机理研究

常温常压下,采用波长532 nm的Nd:YAG纳秒激光器激发诱导空气中的铝合金,由高分辨率的光谱仪和ICCD对等离子体发射光谱采集和实现光电转换。研究激光能量、ICCD门延迟和聚焦透镜到样品表面的距离(lens-to-sample distance,LTSD)对谱线信号强度和等离子体电子温度的影响,并分析了产生影响的物理机制。结果表明,固定ICCD门延迟和LTSD,随着激光能量的增大,谱线强度和电子温度均增大;计算结果表明,当激光能量从20 mJ增加到160 mJ时,原子谱线Al I 396.15 nm,Mg I 518.36 nm,离子谱线Mg II 279.54 nm谱线强度相较于20 mJ分别提高了12.83,6.45,10.56倍。固定激光能量和LTSD,ICCD门延迟在100~4000 ns范围内变化时,随着延迟的增加,谱线强度和等离子体电子温度均呈指数形式衰减。固定ICCD门延迟和激光能量,采用焦距为75 mm的聚焦透镜,研究了LTSD对等离子体参数的影响机理。结果表明,聚焦透镜到样品的距离对等离子体的谱线强度和电子温度有较大的影响。等离子体的特征谱线强度和等离子体的电子温度的变化规律基本一致,分别在聚焦透镜到样品表面的距离为73 mm和79 mm处取得峰值,并在73 mm处对应最大值。     

Surface scattering resonance absorption of free electron in nano structured materials

A physical model has been established for calculating the electronic transportation in nano structured material when it is irradiated by a laser pulse with a power density in a magnitude of GW/cm². The Monte Carlo technique has been selected to deal with the electron scattering process. In the process of electrons absorbing laser energy, a surface scattering resonance absorption mechanism and a small-size effect can be found. The regularities of electron energy changes with laser wavelength, structure dimension, and orientation of nano-line have been analyzed.