无碰撞等离子体中电子束流不稳定性的时空演化

强激光在冕区等离子体中传播到临界面附近生成相对论电子和相对论电子束流在随后较长一段稠密等离子体区的能量传输是快点火中的关键问题。对快点火条件下的激光等离子体参数，临界面附近产生的前向快电子电流往往超过阿尔芬极限电流，必须在稠密等离子体中产生中和回流，快电子流才能在稠密等离子体中向前输运。横向电磁不稳定性（类Weibel不稳定性，WI）和纵向静电双流不稳定性（TSI）很容易在这种电子双流体系中激发，前向电子束会被调制或成丝状结构，同时激发电磁场，粒子部分动能会转化为电磁场能量。不稳定性在非线性饱和后，发生电流丝的合并、磁场重联等过程，部分电磁场能量会再转化为粒子能量，表现为对离子体的横向加热。Weibel不稳定性的作用可能形成围绕传播电子束的磁通道，对快电子的定向和准直传播是重要的。TSI激发的纵向静电场对磁场通道会有明显的调制甚至破坏作用，直接影响高能电子流从激光吸收区到燃料压缩区的准直传播。     

激光加速电子束团的输出特性研究

通过仔细研究俘获加速CAS(captureandaccelerationscenario)机制中电子束团的输出特性,发现其出射电子有3类不同的运动轨道即掠过(pass-by)、非弹性散射(IS)、CAS.由于实际入射电子束团的线度远大于强激光脉冲的线度,因此只有位于入射电子束团中心区域的电子才可能被俘获加速.对于目前所能获得的聚焦激光场强(～10²¹W/cm²)和实际的电子束团(～10⁸个电子)而言,最大的输出能量可达到450MeV以上,同时被加速电子的数目可达到10⁴—10⁵个.这表明CAS可望发展成为小型台式加速器的新加速原理     

激光诱导等离子体电信号探测

准分子激光烧蚀固体样品产生激光等离子体,用外加直流电场方法收集电子、离子.分析了电流信号的成因以及信号的时间演化特性.得到了电流信号强度与外加电压、缓冲气压和激光能量之间的关系.     

提高等离子体密度抑制逃逸电子束不稳定性的实验研究

利用ECE电子回旋辐射和Ha线辐射等托卡马克物理诊断系统,研究了Slide-away放电过程中提高等离子体密度对非麦克斯维尔分布的逃逸电子所激发的逃逸电子束不稳定性影响作用.实验结果表明:在Slide-away放电模式下,提高等离子体密度能有效抑制逃逸电子束的不稳定性.     

提高等离子体密度抑制逃逸电子束不稳定性的实验研究

利用ECE电子回旋辐射和Ha线辐射等托卡马克物理诊断系统,研究了Slide-away放电过程中提高等离子体密度对非麦克斯维尔分布的逃逸电子所激发的逃逸电子束不稳定性影响作用。实验结果表明：在Slide-away放电模式下,提高等离子体密度能有效抑制逃逸电子束的不稳定性。     

微波电子回旋共振等离子体阴极电子束的实验研究

介绍了实验室研制的微波电子回旋共振(ECR)等离子体阴极电子束系统及初步研究结果，该系统包括微波ECR 等离子体源、电子束引出极、聚焦线圈等。通过测量水冷靶电流和靶上的束斑尺寸，实验研究了微波ECR 等离子体阴极电子束的流强、聚束性能等随电子束系统工作条件的变化。结果表明：微波输入功率越高、引出电压越高，引出电子束流强越大；工作气压对电子束流强的影响较复杂，随气压增加呈现出先降低后升高的特点；在7×10⁻⁴Pa 的极低气压下电子束流强可达75mA，引出电压9kV；能量利用率可达0.6；调整聚焦线圈的驱动电流，电子束的束斑直径从20mm 减小到13mm，电子束流强未有明显变化。     

面向激光等离子体尾波加速的毛细管放电实验研究

具有合适径向密度分布的等离子体通道可以用于超短超强激光导引,这使得等离子体通道在激光尾波加速中有着重要的应用.本文介绍了在上海交通大学激光等离子体实验室开展的毛细管放电和光导引实验.通过光谱展宽法测量了充氦气的放电毛细管中的等离子体密度分布,在长度为3 cm、内径为300μm的毛细管中实现了轴向均匀,径向呈抛物线型的等离子体密度分布.通过改变放电延时和喷气时长,确定和优化了产生等离子体通道的参数区间,得到的最大通道深度为28μm,与实验中使用的激光焦斑半径匹配.在此基础之上,开展了不同能量的激光脉冲在放电等离子体通道中的导引研究,结果发现当通道深度与焦斑半径匹配时,激光可以不散焦地在通道中传输,实现激光导引.这项研究为未来的激光尾波级联加速和锁相加速等研究奠定了基础.     

基于激光等离子体加速的自由电子激光研究新进展

激光等离子体加速器能够在cm尺度内产生GeV量级的高品质电子束,为研制台式化自由电子激光提供驱动源。但是受限于激光等离子体加速中的难点和现有技术发展,电子束的品质难以达到自由电子激光的需求,尤其在稳定性、发散角和能散等方面,阻碍了台式化自由电子激光的研制。介绍了基于激光等离子体加速器的自由电子激光的最新进展,整理了目前高增益自由电子激光实验过程中存在的主要挑战和对应的解决方案与实验进展,并展望未来的发展方向。最近的研究结果证明,通过控制和优化激光等离子体加速器的注入和加速过程产生的高品质电子束可以在指数增益区域实现自发辐射放大,产生高增益的辐射,这也推动基于激光等离子体加速器的自由电子激光研究进入了一个新的阶段。     

空气中激光等离子体诱导电信号探测

将高功率脉冲激光作用于金属元靶产生等离子体，实验测试了并分析了靶上电势信号的时间演变规律及其成因，同时实验研究了激光能量、靶材料、靶结构等因素对靶上电势信号的影响．     

非均匀等离子体对强激光传播及电子束输运的影响

本文介绍近期针对非均匀等离子体对强激光传播和电子束输运影响取得的研究进展,首先研究弱无序分布等离子体对强激光传播的影响,提出强激光在弱无序等离子体中存在非线性分支流传输机制,并阐明光电离效应及相对论效应对分支流的重要影响。此外,研究等离子体密度梯度对相对论电子束输运过程的影响,发现相对论电子束输运所激发的静电波在空间固定点处的波数或相速度随时间变化,并且不依赖于等离子体密度的上升或下降,静电波的局域空间波数最终随时间逐渐增大,这导致在非均匀等离子体中静电波通过朗道阻尼方式将能量耗散转移给背景电子,表现为一种由背景等离子体密度梯度引起的束流能量耗散新机制。     

Possibility of the charge density modulation of an electron bunch in the electromagnetic wave field

We consider the problem of modulation of the electron density in a linear bunch after its interaction with a linearly polarized, monochromatic electromagnetic wave, as well as an opportunity to observe this effect. It is shown that one can achieve significant values of the modulation depth at high intensities of the electromagnetic wave.     

On the trajectory of a single electron under the action of a linearly polarized laser field

The dynamics of a single electron submitted to a linearly polarized laser field is examined in the non-relativistic case by calculating an upper bound of the position of the electron in the time domain.     

自由电子激光器谐振腔内电子束和激光脉冲的时间同步

研究自由电子激光器谐振腔内电子束和辐射的时间同步问题.这是激光器谐振腔设计中的一个重要问题.本文讨论了腔内布儒斯特窗片对光路的影响.研制出由微机控制谐振腔的精密微调装置,扫描范围为±3cm,微调精度达1μm.     

第二讲 激光尾波场加速中的准单能电子束的产生

自从激光尾波场加速电子方案提出以来,经过二十多年的理论和实验研究,人们在激光尾波场加速方面已经取得了重大进步,相继在电子束能量、电子单色性等束流性能上取得重大突破.特别是在2004年对电子束的单色性研究取得重大突破,国际上几个著名实验室相继报道了准单能电子束产生的实验观测,掀起了激光尾波场研究的新高潮.对于准单能电子束的产生机制,虽然尚未达成统一认识,但普遍认为空泡加速可能是其中非常重要的机制之一.文章介绍了激光尾波场的基本概念,着重介绍了单能电子束产生的空泡加速模式里的两个关键物理过程：波破和电子的自捕获,同时介绍国际上相关的一些重要实验结果和理论进展.     

Interaction of a relativistic dense electron beam with a laser wiggler in a vacuum: self‐field effects on the electron orbits and free‐electron laser gain

Employing laser wigglers and accelerators provides the potential to dramatically cut the size and cost of X‐ray light sources. Owing to recent technological developments in the production of high‐brilliance electron beams and high‐power laser pulses, it is now conceivable to make steps toward the practical realisation of laser‐pumped X‐ray free‐electron lasers (FELs). In this regard, here the head‐on collision of a relativistic dense electron beam with a linearly polarized laser pulse as a wiggler is studied, in which the laser wiggler can be realised using a conventional quantum laser. In addition, an external guide magnetic field is employed to confine the electron beam against self‐fields, therefore improving the FEL operation. Conditions allowing such an operating regime are presented and its relevant validity checked using a set of general scaling formulae. Rigorous analytical solutions of the dynamic equations are provided. These solutions are verified by performing calculations using the derived solutions and well known Runge–Kutta procedure to simulate the electron trajectories. The effects of self‐fields on the FEL gain in this configuration are estimated. Numerical calculations indicate that in the presence of self‐fields the sensitivity of the gain increases in the vicinity of resonance regions. Besides, diamagnetic and paramagnetic effects of the wiggler‐induced self‐magnetic field cause gain decrement and enhancement for different electron orbits, while these diamagnetic and paramagnetic effects increase with increasing beam density. The results are compared with findings of planar magnetostatic wiggler FELs.     

一种测量电子束微脉冲时间抖动的新方法

 提出了一种高灵敏度电子束微脉冲时间抖动的测量方法。该方法采用传统的测量束团位置及电荷量的四条带束流位置探头，用混合环对感应信号进行处理，对共振频率为2.856GHz的谐波分量用MIXER与2.856GHz的参考信号进行相位比较，并由此得到电子束团微脉冲时间抖动值。     

A study of balancing the competing effects of ultrashort laser induced plasma for optimal laser machining

We report that plasma generated during processing of materials with ultrashort pulse lasers and the associated high intensity optical beam have both favourable and unfavourable impact on the machined surface quality. Intensity of the optical beam propagating through ambient air medium enhanced further by self-focusing is sufficiently high to cause gas breakdown forming air plasma. The generated plasma reduces the effect of self-focusing but also distorts the beam profile. Duration of the pulse being too short for thermal equilibrium to establish, ablation occurs largely by direct removal of the material forming another plasma plume. Normally, the scattering effect of plasma results in distortions of the fabricated features. However, for certain parameter ranges, the competing self-focusing and gas plasma plumes supplemented with the material plasma can combine to cause filamentation, eliminating the distortions. Filament of hot plasma also acts as a well-shaped energy source. In the present study, brass is taken as an example for the investigation. Experiments were conducted to capture the spectrum of the light scattered by plasma using a spectrometer. Analysis was done to estimate the material plasma. Theoretical calculation on the intensity distribution in an optical beam propagating through air was then followed for a range of parameter values taking the self-focusing effect of the medium and the impact of the plasma generated by its breakdown. Approximate values of the machining parameters for clean fabrication are deduced from the calculations, which were used to conduct a laser machining test on brass.     

用电光采样法测量相对论电子束团长度

介绍了电光采样法测量电子束束团长度的实验原理和装置,理论分析并模拟计算了被测电子束团库仑场分布、ZnTe晶体的电光效应与束团电场的关系,并利用琼斯矩阵法分析了探测光通过电光晶体时在束团电场作用下的偏振变化、测量信号与束团长度的关系等。分析表明：测量中应使束团库仑场垂直于ZnTe的［001］方向,探测光偏振方向与ZnTe晶体y″轴成45°或者135°夹角,1/4波片快轴与探测光偏振方向夹角应取45°,这时平衡探测器输出信号与束团库仑场Eb成正比。1/4波片的作用是将电光晶体的工作点从非线性段移到线性段,平衡探测的作用是简化信号与Eb的关系,并提高信噪比。为实际测量应用提供参考。     

Experiment on the electromagnetic radiation excited in an electron beam‐ion channel system

An experimental study on electromagnetic (EM) radiation in an electron beam‐ion channel system is reported, which indicates the same result predicted by our previous theory. The system is formed in an arc plasma jet with a plasma density of 10¹⁷m^?3 , and the electron beam is driven by a voltage pulse of 20 kV. The result shows that the system can excite EM radiation in the range of the plasma frequency. The scheme is also hopeful to be used for generating high‐frequency and wide‐band EM radiation up to terahertz by enhancing the plasma density.     

Comptonɢ��Լ�����������йⳡ�͵����ܶȷֲ���Ӱ��

应用电子和多光子集团非弹性碰撞模型和冷等离子体模型，研究了飞秒强激光与线性等离子体发生多光子非线性Compton散射时，散射激光与入射激光形成的飞秒耦合激光场对线性等离子体层中光场和电子密度分布的影响。研究发现，在耦合激光的有质动力作用下，电子密度分布和离子密度分布比Compton散射前的偏离更加严重，电子密度的变化比离子密度的变化更快，产生的静电场更强。即使耦合激光场非常弱，电子的运动仍表现出相对论效应，仍有静电场存在。