双光束对高能电子的捕获特性

 为了在实验上增强非线性强场效应的信号强度,基于电子在强激光束上的非弹性散射,提出一种双光束捕获电子的方案,目的是通过延长电子和强场相互作用时间来提高非线性过程发生总概率,实现观测信号的增强。数值模拟结果表明,捕获后的电子和强激光场的相互作用时间可延长10倍以上。     

交叉传播相对论强激光脉冲在等离子体中相互作用及其对电子加热和加速的作用

文章介绍了相干交叉传播的相对论强激光在与等离子体相互作用中产生的能量交换、瞬态电子密度调制和激光加速电子，这些被加速的电子先在交叉光场中被捕获，随后又注入到等离子体波中，获得进一步的加速．这些现象最近在作者的实验研究和数值模拟中被观察到．     

双曲余弦高斯光束在强非局域介质中的传输

从描述强非局域介质中光束传输的非线性薛定谔方程出发,研究了(2+1)维双曲余弦高斯光束在强非局域介质中的传输性质及其相互作用,给出了双曲余弦高斯光束在强非局域非线性介质中传输的解析表达式和二阶矩束宽的解析表达式,同时对两束双曲余弦高斯光束之间的相互作用进行了解析和数值分析。结果表明单光束入射强非局域介质时,存在一个临界功率,当入射功率等于临界功率时,光束在传输过程中的二阶矩束宽可以保持不变;当入射功率不等于临界功率时,光束的二阶矩束宽呈周期性变化。两束双曲余弦高斯光束共同传输时会相互吸引,并且横向强度分布变的较为复杂,给出了两束光传输时相互作用后的强度分布和轴上光强演化等结果。     

激光聚变驱动器的光束相干性及其控制:回顾与展望

高功率强激光与物质相互作用蕴藏着丰富的非线性效应,激光聚变驱动器的光束具有高度相干性,它在光束传输过程中极大地凸显了这种效应,并不可避免地制约着激光功率的提升和激光能量的有效利用。回顾激光聚变驱动器的发展史,在提升激光输出能力的主线外,还存在一条与光束相干性做斗争的暗线贯穿其中。以激光与物质相互作用为牵引,从高功率强激光传输中非线性效应抑制和激光等离子体相互作用的抑制两方面回顾了激光聚变驱动器光束相干性的控制现状,并针对潜在需求,展望了未来高功率激光发展的创新技术。     

相对论热等离子体中电子声波的非线性频移

研究了相对论电磁波在热等离子体中传播时的色散特性以及由于非线性电子声波激发引起的电子声波的非线性频移。基于相对论激光在热等离子体中传播的电磁流体物理模型,采用流体的非线性频移理论,利用微扰法得到了描述相对论激光与热等离子体相互作用时谐波产生的非线性频移方程。结果表明,等离子体密度、电子温度和一阶谐波振幅是决定相对论热等离子体中非线性频移的主要因素。在弱激发下,非线性频移随着电子温度和一阶谐波振幅的增大而增大,等离子体密度抑制非线性频移。电子声波非线性频移对等离子体密度和电子温度的依赖表现出了强烈的非线性特征。研究结果为深入理解高能量激光与热等离子体相互作用中谐波的产生及引起的非线性频移提供了理论依据。     

行波管放大器中的电子混沌现象

用自洽方程模拟了波-粒相互作用过程中的电子混沌行为.结果表明：随着电流的增大，电子在相空间的运动轨道将变得混沌，混沌轨道受失谐量的影响.在时间上，电子混沌比场的极限环和混沌振荡出现要早.与场出现极限环振荡的电流阈值相比,出现电子混沌的电流阈值要小；在场呈极限环状态的“软”非线性区域，电子的混沌轨道占据大部分相空间；而在场混沌的“硬”非线性区域，混沌轨道则弥漫在整个相空间.当电流一定时,电子的混沌运动图样是不变的；在一定的电流范围内， 场的极限环和混沌振荡特征是确定的， 但它们的输出功率是不确定的. 关键词： 行波管放大器 电子混沌 相空间轨道 非线性相互作用     

长程电子关联对聚合物中激子极化率的影响

本文研究了在外电场下高分子的线性极化率和三阶非线性极化率,发现电子电子相互作用使激子线性极化率和三阶非线性极化率都降低,而长程电子关联效应的作用更进一步降低 和。准确地计算高分子聚合物的极化率可以更好的理解共轭聚合物的长程电子关联对有机分子线性和非线性响应的影响,确定其结构与非线性光学性质的关系。     

强激光脉冲中高能电子辐射的时间演化研究

为了研究圆偏振强激光脉冲中高能电子辐射随时间的演化，在拉格朗日方程和电子能量方程的基础上，构建了高能单电子与强激光脉冲相互作用的模型，采用MATLAB对此过程进行模拟和计算，得到了电子辐射的空间分布随时间演化的仿真图像。结果表明，受圆偏振紧聚焦强激光脉冲作用的电子所发出的电磁辐射能量会随时间由外而内呈现涡旋状的空间分布，且在约1000 fs后集中在中心；辐射向内集中的速度会随时间逐渐放缓。此外，单位立体角辐射能量的最大值也会随时间递增，且变化速度先增大后减小。在450 fs附近，辐射能量到达平台期，此后继续缓慢增加，直至1000 fs后稳定在1.18×10^-12 J/cm²。此结果表明，可以通过控制电子与激光相互作用的时间，更快得到符合实验要求特性的电子辐射。     

强聚焦拉盖尔-高斯光场中球形粒子的受力

拉盖尔-高斯光束是典型的涡旋光束,光束的轨道角动量会传递给微粒使其产生轨道运动。本文利用T矩阵方法和麦克斯韦应力张量积分计算了强聚焦线偏振拉盖尔-高斯光束对球形粒子的捕获力,并着重分析了粒子半径和光束阶数对微粒在涡旋聚焦场中运动状态的影响。当光束阶数一定时,随着微粒半径的增大,轨道运动的轨迹会逐渐缩小。当粒子半径大于临界值时,就会被捕获到光轴上,且无法进行轨道运动。但是,离轴捕获的粒子受到的轴向捕获力比轴上捕获的要小一个量级,需要施加足够的入射光功率以维持稳定的轨道运动。     

C60LB薄膜覆盖离子交换玻璃波导的光功率限制

集成光学光波导是光学非线性相互作用的理想结构,与块状结构相比,波导结构能够把光束限制在微米量级的尺寸范围,形成了光束在光波导中无衍射传播并造成作用在波导媒质上的光功率密度成数量级增长,使非线性相互作用所要求的长相互作用距离和高功率密度二因素得到满足.     

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.     

强激光与固体靶作用产生的表面电子加速和辐射研究

利用单电子在固体靶表面准静态电磁场中运动的模型和非线性汤姆孙散射理论,研究了以大角度斜入射的强激光照射在固体靶表面产生的沿靶面方向发射的高能超热电子的运动及其产生的电磁辐射脉冲. 数值模拟表明,靶表面的电子在靶面附近的准静态电磁场和反射的激光场中作振荡. 当电子振荡频率接近激光频率时,电子被有效加速,被加速的电子主要沿靶面方向运动并产生向前的阿秒脉冲辐射. 讨论了电子在加速前的不同初始速度分布对辐射脉冲的时间和空间特性的影响,模拟了不同初始状态的多电子相干辐射脉冲的频谱特性. 关键词： 表面准静态电磁场 超热电子 阿秒脉冲 相干辐射     

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.     

Additional acceleration and collimation of relativistic electron beams by magnetic field resonance at very high intensity laser interaction

For the interpretation of experiments for acceleration of electrons at interaction up to nearly GeV energy in laser produced plasmas, we present a new model using interaction magnetic fields. In addition to the ponderomotive acceleration of highly relativistic electrons at the interaction of very short and very intense laser pulses, a further acceleration is derived from the interaction of these electron beams with the spontaneous magnetic fields of about 100 MG. This additional acceleration is the result of a laser-magnetic resonance acceleration (LMRA) around the peak of the azimuthal magnetic field. This causes the electrons to gain energy within a laser period. Using a Gaussian laser pulse, the LMRA acceleration of the electrons depends on the laser polarization. Since this is in the resonance regime, the strong magnetic fields affect the electron acceleration considerably. The mechanism results in good collimated high energetic electrons propagating along the center axis of the laser beam as has been observed by experiments and is reproduced by our numerical simulations. PACS 41.75.Jv; 52.38.Kd; 52.65.Cc     

Relativistic Electron Acceleration in a Wake Field Generated by the Intense Femtosecond Laser Interaction with a Mixture Jet of Deuterium Clusters and Molecules

High energy electron acceleration in a wake field generated in the intense ultrashort （30fs） laser pulse cluster gas jet interaction is experimentally demonstrated. Relativistic electrons with energy of 60 MeV were observed. These high energy electrons split into two beams due to the relativistic self-focusing of the laser.     

强激光与锥型结构靶相互作用准直电子束粒子模拟研究

利用PIC(particle-in-cell)方法模拟研究了超短强激光与锥型三明治结构靶相互作用快电子束的产生和传输,并与锥通道靶、锥丝靶和锥靶在相同激光参数下的作用结果进行了比较.研究发现强激光与锥三明治靶作用产生的快电子能被不同密度材料产生的准静态界面强磁场有效地准直传输.相对其他三种锥型结构靶,锥三明治靶能产生更多数目及更高能量的快电子,提高了激光到快电子的能量转换效率和快电子束的品质,这对快点火能量沉积是有利的.     

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.     

Observation of the second harmonic in Thomson scattering from relativistic electrons

A free relativistic electron in an electromagnetic field is a pure case of a light-matter interaction. In the laboratory environment, this interaction can be realized by colliding laser pulses with electron beams produced from particle accelerators. The process of single photon absorption and reemission by the electron, so-called linear Thomson scattering, results in radiation that is Doppler shifted into the x-ray and gamma-ray regions. At elevated laser intensity, nonlinear effects should come into play when the transverse motion of the electrons induced by the laser beam is relativistic. In the present experiment, we achieved this condition and characterized the second harmonic of Thomson x-ray scattering using the counterpropagation of a 60 MeV electron beam and a subterawatt CO2 laser beam.     

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.