超短脉冲圆极化激光场的一阶修正描述及加速效应

研究了超短脉冲圆极化激光场的一阶修正场,通过数值计算,探讨了入射电子的动力学特性,发现了超短脉冲圆极化激光场中的加速现象.通过研究电子的动力学特性与脉宽的关系发现,近轴近似方程在利用1/ω归一化后,脉宽τ0≤30时(ω为激光频率),仍然适用;而在脉宽τ0>30时,近轴近似方程与一阶修正方程的计算结果出现偏离.在事例τ0=100和τ0=300中,采用一阶修正场方程,研究了电子束团的能量分布与空间分布的特征,发现在脉宽τ0=300的情况下,加速电子数目增多,而且电子束能够发生汇集.     

超短强激光脉冲驱动等离子体波加速电子方案

随着超短脉冲激光技术的发展, 人们可以在台面尺度获得光强超过10¹⁸W/cm²、脉宽小于100fs的超短脉冲激光.超短脉冲激光很容易把静止的电子加速到兆电子伏的能量. 而更重要的是超短激光脉冲可以通过其有质动力激发大振幅的等离子体波(称为激光尾波场), 后者可以在毫米空间尺度把电子加速到上百兆电子伏的能量.文章将介绍激光尾波场加速电子的物理机制和方案、这个领域的最新进展、以及目前存在的问题.     

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     

超强脉肿激光在低密度等离子体中的相对论自导引效应

分析了相对论条件下激光超短脉冲在等离子体中的传输特性，在傍轴近似和慢变振幅近似条件下，推导了折射率、电子密度、静电场以及电子空腔尺度的表达式。当激光功率超过产生自导引阈值功率时，激光束斑沿着传输光轴方向振荡。在有质动力产生的压力非常强时，聚焦光束中央部分的电子被全部排开形成电子空腔。给出了电子空腔的尺寸以及在出现空腔时的处理方法。在超过形成电子空腔的阈值功率（Pc≈2.5TW)时，空腔的尺度几科与激光功率无关，这意味着电子空腔阻止了激光脉冲的进一步聚焦。     

电子在强聚焦激光场中的动力学轨道

模拟研究了具有一定初态能带的相对论电子在强聚焦激光场中的动力学特性，发现激光场强达a0=eE／m，cw≥5，有三种典型的动力学轨道：电子俘获加速轨道CAS（Capture＆Acceleration Scenario），非弹性散射轨道IS（Inelastic Scattering），电子穿进轨道PARM（Penetrate into Axial Region and Move）。发现穿进轨道PARM的出现强烈依赖于腰宽w0，住膛宽较小（激光腰宽w0≤30）时较明显，其出现与紧聚焦激光场衍射效应较强有火。在腰宽较小时，随着脉冲长度的减小，PARM的出现概率减小，而IS的出现概率增大。本文探讨了三种轨道物理机制的区别。为聚焦激光场加速电子提供参考。     

几周期余弦-高斯激光脉冲的时间重心

研究了几周期超短余弦-高斯脉冲的时间重心与绝对相位以及与余弦函数参量之间的关系．给出了几周期超短余弦-高斯脉冲时间重心的解析表达式和模拟图形．结果表明，余弦-高斯脉冲的时间重心随着绝对相位的变化而发生漂移，并且脉冲宽度对余弦-高斯脉冲时间重心的漂移量也有一定的影响．余弦函数的参量在一定取值范围内对余弦-高斯脉冲也有较大的影响，它可能导致几周期余弦-高斯脉冲的时间重心有较大的漂移．     

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     

超短脉冲激光在有机分子材料中的动力学过程研究

利用从头计算方法，在密度泛函理论上，计算了分子的电子结构和电偶极矩.通过求解麦克斯韦-布洛赫方程，研究了超短脉冲激光与硝基苯胺分子材料的相互作用，着重分析了分子的固有偶极矩对脉冲激光波形、频谱成分以及分子能级占有率产生的影响.研究结果表明，慢变幅近似和旋波近似不能很好地描述超短脉冲在PNA分子介质中传播.分子的固有偶极矩进一步使脉冲传播背离面积定理，引起了脉冲更快地分裂.当脉冲激光在PNA分子介质中以电荷转移态的激发能共振传播时，脉冲激光频谱中明显地出现了二次谐波成分，显示了该分子具有较强的双光子吸收性质. 关键词： 超短脉冲激光 硝基苯胺分子 麦克斯韦-布洛赫方程     

第一讲台面型电子加速器——激光尾波场加速器

近年来，随着超短超强激光脉冲技术的发展，利用超短超强激光在等离子体中激发出的高强度尾波场来实现电子加速的方案也取得了巨大进展．相对于传统的射频腔加速器，这种新型的加速器由于以等离子体为介质，可以突破传统加速器中加速梯度小于100MV／m的限制，其加速梯度可以达到100GV／m．电子在这样的加速场下，在厘米量级的距离内就可以获得GeV的能量．随着台面型超短超强激光器的发展，新一代实用化的台面型电子加速器有望在不远的将来得以实现．文章将从理论和实验上对激光尾波场加速中的尾波激发、电子注入、距离延长三个方面加以介绍，同时给出国内在这些方面的一些研究进展．     

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     

The permittivity of a monatomic gas with spatial dispersion

The longitudinal, ε^l(ω, k), and transverse, ε^tr(ω, k), permittivities of a monatomic gas were calculated. The frequency ranges in which the permittivity ε(ω) and permeability μ(ω) of a gas without spatial dispersion have a physical meaning were determined. The limiting magnetic susceptibility χ(ω) at ω=0 and the static magnetic susceptibility were found. The question of whether an electromagnetic wave with antiparallel group and phase velocities can propagate through a monatomic gas is discussed.     

Accurate description of ultra-short tightly focused Gaussian laser pulses and vacuum laser acceleration

High-order correction terms to the expression of the field of ultra-short tightly focused Gaussian laser pulses are derived. Terms up to seventh order in the small dimensionless spatial parameter s=1/(k₀w₀₀) and first order in the small dimensionless temporal parameter ε=1/(ω₀t₀) are explicitly presented (ω₀=ck₀ the central oscillatory frequency, 2t₀ the pulse duration, w₀₀ the beam waist radius at the central frequency ω₀). To evaluate the correction efficacy, both the corrected and the paraxial field equations are used in detailed simulation studies of laser/electron interaction dynamics. Special attention is given to the vacuum laser acceleration scheme. The influence on the electron dynamics due to the diffraction edge field of a tightly focused laser beam is also investigated. PACS  42.25.Bs; 42.60.Jf; 41.75.Jv     

Pulse duration and collision effects in the multiphoton dissociation of HDCO

Measurements of multiphoton dissociation (MPD) of HDCO gas irradiated by intense CO₂ laser pulses varying in shape and having a duration from 150 ns to ～ 1 μs are reported. It is found that for the same laser pulse energy the short pulses dissociated about an order of magnitude more molecules than the long pulses. Taking into consideration the collision-induced MPD of HDCO previously found, it is shown that to a reasonably good approximation, all the present MPD data for the different pulse durations can be represented on a single, smooth and sharply rising curve of yield versus intensity. This finding is in contrast to the flat intensity response at constant pulse energy found recently for collisionless MPD in SF₆.     

Effects of Pulse Durations on High-order Harmonic Generation

ＥｆｅｃｔｓｏｆＰｕｌｓｅＤｕｒａｔｉｏｎｓｏｎＨｉｇｈｏｒｄｅｒＨａｒｍｏｎｉｃＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＬＩＸｕｅｘｉｎＬＩＵＹａｑｉｎｇＺＨＡＩＫａｎＸＵＺｈｉｚｈａｎＨＡＮＳｈｅｎｓｈｅｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓａｎ...     

Effect of Lorentz local field correction on propagation of ultrashort laser pulse in one-dimensional para-nitroaniline (PNA) molecules

This paper investigates the effect of Lorentz local field correction (LFC) on the propagation of ultrashort laser pulses in a para-nitroaniline molecular medium under resonant and nonresonant conditions by solving numerically the full-wave Maxwell-Bloch equations beyond slowly-varying envelope approximation and rotating-wave approximation. The effect of the LFC is considerably obvious when pulses with large areas propagate in the dense molecular medium. In the case of resonance,the group velocity of the sub-pulses split from the incident pulse along propagation is severely decreased by the LFC,especially for the latest sub-pulse. However,in the case of nonresonance,the influence of the LFC on the temporal evolution of the pulse is less obvious and lacks homogeneity with an increase in incident pulse area,propagation distance and molecular density.     

Manipulating Photoelectron Distributions for Rare Gas Atoms Ionized with Polarized Femtosecond Laser Pulses

Above-threshold ionizations of rare gas atoms excited by polarized femtosecond laser pulses are investigated. The photoelectron momentum spectra are obtained applying the strong-field approximation (SFA) theory. It is found that, distribution of the emitted photoelectrons varies with different polarizations of laser pulses. We have interpreted the relationship between the observed distribution and the laser polarization taking advantage of tunneling ionization theory and simple-man model. The polarization sensitivity indicates that one can easily manipulate the photoelectron distribution by controlling the polarization of the exciting pulse.     

三色圆偏振激光组合脉冲驱动氦原子产生椭圆偏振的阿秒脉冲

我们提出利用频率为ω,3ω和强度较弱的2ω组成的三色圆偏振激光组合脉冲驱动氦原子能够得到椭偏率较大的阿秒脉冲链的一种方法.通过强场近似方法,计算了氦原子在两色和三色圆偏振激光组合脉冲驱动下发射高次谐波谱及其合成阿秒脉冲链,比较了氦原子(初态为s态)在这两种情况下发射高次谐波谱的特点及其合成阿秒脉冲链椭偏率的大小,结果发现,在反旋的两色ω,3ω激光脉冲基础上加入了频率为2ω的第三色激光脉冲联合作用到氦原子上,所得到的阿秒脉冲链的椭偏率相对于双圆场情况下有所增加,通过调整ω,3ω激光的强度比,并且选择适当的第三色激光的强度,对初态为s态的原子,仍能够得到具有较大椭偏率的阿秒脉冲链.     

Collision of two short laser pulses in plasma and the generation of short-lived Bragg mirrors

We consider the nonlinear excitation of small-scale electron-density perturbations when two identical short laser pulses propagating toward each other collide in plasma. Pulses with duration τ of the order of the plasma-oscillation period ω_pτ ≤ 1, ω_p is the plasma frequency) are shown to excite long-lived localized plasma oscillations in the collision region. The energy conservation laws for the nonlinear mixing of short laser pulses in plasma are analyzed. We investigate the scattering of a sounding wave by the electron-density perturbations produced in the pulse collision region (short-lived Bragg mirror).     

强激光在窄通道中传播的理论研究

在考虑相对论和有质动力非线性以及全局电量守衡的前提下,分析了强激光在冷等离子体窄通道中稳定传播的情况。采用较为简化的二维理论模型,给出了描述激光和通道横向结构的解,对不同通道宽度、通道密度、激光强度和电磁模式等进行了讨论,分析了其对激光在等离子体通道中传播的影响。分析发现,在存在预通道的情况下,当等离子体通道的密度大于临界密度很多时(例如20倍临界密度),即使是在激光波长量级的通道中,激光仍然可以传播。通道越宽,等离子体密度越小;激光强度越大越容易传播。在同样的通道和传输情况下,TE0模传输所需要的激光强度比TE1模要小。