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     

束腰半径对高能电子与激光脉冲对撞辐射峰值的影响

为了探究激光的束腰半径b₀对高能电子与激光脉冲对撞辐射特性的影响,以Lorentz方程以及电子辐射方程为基础建立了紧聚焦圆偏振激光与单电子对撞模型。使用MATLAB进行数值计算,获得了笛卡尔坐标系中电子的运动轨迹,基于模拟计算的结果深入研究了紧聚焦圆偏振激光脉冲的束腰半径与电子间的辐射功率峰值之间的关系。结果表明：当束腰半径较小时,峰值辐射功率随着束腰半径的增大而增加,在b₀=1.7λ₀处达到最大峰值辐射功率,接着束腰半径的增大反而会引起峰值辐射功率的缓慢降低。此外,寻找到了一个最佳的观测θ角区间[144°,151.5°],在这一观测范围内能观测到较高的辐射功率,且电子与圆偏振激光脉冲的对撞能产生超短阿秒脉冲。     

周期量级强激光场中电子振荡所导致的辐射的空间分布特性

采用单电子模型,通过理论分析和计算机模拟,研究了线偏振周期量级强激光脉冲作用下电子的相对论运动及其辐射的空间分布特性,研究发现对周期量级的强激光脉冲,其初始位相对电子的相对论运动及其辐射的空间分布特性影响非常显著。     

飞秒脉冲激光作用下电子振荡导致的辐射空间分布特性

采用单电子模型研究了不同偏振、不同强度飞秒脉冲激光作用下电子振荡导致的辐射的空间分布特性。研究发现:随着激光强度的增加,对圆偏振激光脉冲,电子辐射的空间分布由全空间分布变为前向双叶型结构,而对线偏振激光脉冲,电子辐射的空间分布由类似于偶极天线辐射特性的四重对称双叶结构变为双重对称三叶型结构,这可以为实验研究电子的辐射提供空间分布的相关依据。     

飞秒脉冲激光作用下电子振荡导致的辐射空间分布特性

 采用单电子模型研究了不同偏振、不同强度飞秒脉冲激光作用下电子振荡导致的辐射的空间分布特性。研究发现:随着激光强度的增加,对圆偏振激光脉冲,电子辐射的空间分布由全空间分布变为前向双叶型结构,而对线偏振激光脉冲,电子辐射的空间分布由类似于偶极天线辐射特性的四重对称双叶结构变为双重对称三叶型结构,这可以为实验研究电子的辐射提供空间分布的相关依据。     

初始相位对周期量级激光脉冲Thomson散射特性的影响

 用电子Thomson散射的经典理论,研究了周期量级激光脉冲作用下电子Thomson散射的特性,讨论了不同激光强度下,激光脉冲的初始相位对电子辐射的空间分布以及特定方向上频谱分布特性的影响。计算表明:对弱激光脉冲,电子辐射的空间分布类似于偶极天线的对称双叶结构,初始相位对电子的辐射几乎没有影响;而对强激光脉冲,电子辐射的空间分布出现了三叶结构,初始相位对电子的辐射影响非常显著。     

紧聚焦激光束作用于电子实现单个阿秒脉冲输出

研究了电子在聚焦的圆偏振高斯激光束中的非线性汤姆孙散射过程，在此基础上提出了实现单个阿秒脉冲输出的新机理.通过计算机模拟，发现利用紧聚焦的激光脉冲可以有效地增大辐射脉冲链的最高峰和次高峰的峰值强度比即信噪比，从而将阿秒脉冲链变为单个阿秒脉冲输出.紧聚焦情形下，随着驱动激光强度的增大，辐射信号的脉宽变短，信噪比变大；同时当减小激光束腰半径时，辐射信号信噪比也能得到有效改善.研究还发现，利用几个光周期的极短激光脉冲与电子的相互作用也能实现单个阿秒脉冲输出. 关键词： 阿秒脉冲 紧聚焦 信噪比     

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.     

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。     

填充预等离子体通道靶激光电子加速研究北大核心CSCD

采用紧聚焦的超强短脉冲激光与固体通道靶相互作用是获得大电量、高准直相对论电子束的一种有效方式。实验中由于激光预脉冲烧蚀靶壁产生预等离子体会膨胀、填充到真空通道中,从而导致电子束品质发生变化。采用二维PIC粒子模拟程序研究了通道靶中填充预等离子体的电子加速过程。模拟结果显示,在功率密度为5.0×10^(20W/cm^(2))的超强短脉冲激光条件下,通道中填充一定密度的等离子体时激光场优先与低密度等离子体相互作用,激光脉冲与通道壁的相互作用减弱,电子加速机制由纵向场主导的真空电子加速转变为横向电场主导的等离子体电子加速,产生电子束具有更大的电荷量,但能量降低,发散角增大。     

激光烧蚀铜产生原子和离子光谱线的研究

通过测定Nd∶YAG脉冲激光烧蚀金属Cu诱导产生光谱线及其强度随时间与空间的分布,结果表明等离子体辐射光谱线由原子光谱线、离子光谱线及连续辐射背景光组成,Cu原子光谱线的数目不仅比离子光谱线多,而且辐射强度比离子光谱线的大,以连续辐射背景光的辐射强度为最弱;原子光谱线的发光范围最大,持续时间最长;离子光谱线发光范围中等,持续时间中长;连续辐射背景光的发光范围最小,持续时间最短.讨论了激光诱导发光的机理,认为等离子体羽中连续辐射背景光主要来自近靶处高能电子的韧致辐射和电子与离子的复合激发,原子和离子光谱线主要由等离子体中高能电子的碰撞传能激发所引起,并用之较好地解释了所观察的实验现象.     

纳秒激光等离子体相互作用过程中激光强度对微波辐射影响的研究

在强激光与等离子体的相互作用中,通常能够产生时间尺度长达百纳秒量级的微波辐射,形成的复杂电磁环境会干扰或损坏机械电子设备,并给物理过程的准确认识与表征带来困难.然而,目前对于微波辐射的产生机制的研究还不够系统和完善.本文通过系统地改变纳秒激光与等离子体作用过程中入射的激光能量以改变入射激光强度,发现微波辐射强度随激光强度非单调变化.在较低的激光强度下,辐射强度随激光强度的增加先增加后减小,辐射场时间波形呈现连续振荡的特征,辐射频谱包含低于和高于0.3 GHz两部分分量;在较高的激光强度下,辐射强度随激光强度的增加而增加,辐射场时间波形表现为数十纳秒的单极性辐射,辐射频谱主要包括0.3 GHz以下的分量.分析表明,导致微波波形和频谱差别的原因是辐射机制发生了变化.在较低的激光强度下,微波辐射由偶极辐射和靶上电子束向真空出射共同作用产生,其中偶极辐射占主导;在较高的激光强度下,微波辐射主要由靶上电子束向真空出射产生.研究结果对于理解纳秒激光与等离子体相互作用过程中的微波辐射机制具有比较重要的意义,同时也为借助微波辐射诊断激光与等离子体相互作用过程中的逃逸电子、靶面鞘层场等问题提供了参考.     

影响单电子非线性汤姆孙散射因素的研究

应用电子汤姆孙散射的经典理论，通过理论分析和计算机模拟，研究了超短超强激光脉冲作用下电子产生的辐射脉冲的性质.计算表明，在这种情况下，电子的辐射通常以阿秒脉冲列的形式出现.讨论了不同激光场参数（包括激光强度、脉宽、初相位和偏振态）、不同电子初始状态（初始速度和位置）对辐射脉冲的时间和空间特性的影响.通常在相对论光强条件下，激光强度越大，电子辐射越强，脉宽越窄，中心频率越大，并且方向性越好；电子在线偏振激光中产生的辐射效率，比在同样强度下圆偏振激光中产生的效率更高；无论入射光是线偏振光，还是圆偏振光,辐射场呈现较复杂的偏振态, 并且它与辐射方向有关.当电子具有一定的初始能量时，通常辐射场的振幅随电子初始能量的增大而增大.不管电子的初始能量以及运动方向如何，做相对论运动的电子产生的辐射趋向于出现在靠近电子运动方向的角度区域.     

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     

高能电子在强激光场中的同步辐射获得超短X射线脉冲

 研究了逆流相对论高能电子与强激光脉冲相互作用的同步辐射过程,当电子具有合适的初速度且传播方向与激光的传播方向相反时,电子在激光脉冲中心作圆周运动。由于电子的运动半径比传统同步辐射环中电子的运动半径小几个数量级,因此电子的辐射能量大大增加。研究发现此过程可以获得阿秒和泽秒X射线脉冲;同时发现随着入射电子初能量的增加和激光能量的增强,获得X射线脉冲脉宽越来越短,强度越来越大。这使得激光同步辐射可以成为一种强大的短波长短脉宽的辐射光源。     

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}     

飞秒超强激光驱动太赫兹辐射特性的实验研究

强太赫兹源是太赫兹科学技术发展的关键,其中大能量强场太赫兹脉冲源在超快物态调控、新型电子加速器等领域具有重要的应用前景.超快超强激光与等离子体相互作用是近年来发展起来的一种新型的强场太赫兹辐射产生途径.本文报道了利用超强飞秒激光脉冲与金属薄膜靶作用产生太赫兹辐射的实验结果,研究了激光能量和离焦量对靶后太赫兹辐射能量的影响,并通过监测激光背向散射光谱,定性揭示了其变化规律与不同光强下的电子加热机制的相关性.实验表征了太赫兹辐射的频谱、偏振及聚焦光斑情况.测量结果表明,实验产生了脉冲能量达458μJ、聚焦场强高达GV/m量级的超宽带太赫兹辐射,为开展极端太赫兹脉冲与物质相互作用研究提供了一种新的强场太赫兹光源.     

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。     

飞秒激光脉冲和液体等离子体相互作用产生的高能电子特性研究

文章研究了单脉冲和多脉冲飞秒激光和水等离子体相互作用产生的高能电子特性 ,发现多脉冲激光构型可以大幅度地增强超热电子的产生和提高其温度 .实验观测到在激光偏振面内 ,沿与激光轴反向夹角 4 6°的方向 ,对称地喷射出两束能量大于 2 5keV的高能电子 .二维粒子模拟结果和实验符合很好 .实验和理论都表明 ,这些超热电子是通过后续脉冲与前面脉冲形成的球形液滴相互作用产生的 ,具体机制为共振吸收 .     

激光同步辐射作为阿秒X射线辐射源的特性研究

 研究了逆流相对论电子与激光脉冲相互作用获得激光同步辐射的频率上移、微分散射截面等特性。发现逆流相对论电子与短脉冲激光相互作用，可以获得阿秒X射线辐射脉冲。短脉冲激光条件下得到的后向散射光的频率上移与长脉冲激光条件下得到的后向散射光的频率上移是完全一致的，同时发现随着入射电子初始能量的增加，散射光的准直性越来越好，后向散射光脉冲的脉宽越来越短。