强场物理新进展--强激光在等离子体中加速电子的新机制

相对论强激光与等离子体相互作用中高能电子的产生机制是近年来一直被广泛重视的课题，文章扼要介绍了其中主要的几种加速机制，并特别介绍了作者最近提出的电子在对撞激光场中的随机加速机制。     

强激光与磁化等离子体作用中有质驱动对电子的加速研究

通过利用龙格一库塔方法分析了强激光与磁化等离子体中有质驱动对电子的加速问题。研究发现在磁化等离子体中，有质驱动使得电子沿轴方向发生横向振荡，电子获得高的能量增益，而在等离子体中产生的自生磁场引起的共振进一步加速了电子，使电子能量增益进一步提高。且最终电子能量趋向一个稳定值，电子在有质驱动作用下自动喷射出来，这在实际应用中容易控制，避免了使用抽取高能电子的提取器，这为新型台式加速器的设计提供了有益的理论指导。     

第三讲 激光在真空中加速电子

文章简要回顾了真空中激光加速电子的研究进展,着重介绍了真空俘获加速电子的动力学特点和物理机制.出现俘获加速(capture and acceleration scenario,CAS)的经典物理机制是聚焦激光束的衍射效应导致光波沿俘获电子轨迹的有效相速度减慢,以致电子有可能被长时间俘获在加速相位中并从激光场获得足够多的能量.CAS出现需要的入射动量的相空间不小,而且在实验上可以达到.此外,最佳入射动能对激光强度并不敏感,在小角入射时大约在10—20MeV.研究发现,CAS出现需要的激光场强相当高,电子获得的能量在电子进入CAS通道时急剧上升.此外文章还介绍了有质动力加速模型的特点和机制、附加磁场的加速机制.     

第三讲 激光在真空中加速电子

文章简要回顾了真空中激光加速电子的研究进展，着重介绍了真空俘获加速电子的动力学特点和物理机制．出现俘获加速（capture and acceleration scenario，CAS）的经典物理机制是聚焦激光束的衍射效应导致光波沿俘获电子轨迹的有效相速度减慢，以致电子有可能被长时间俘获在加速相位中并从激光场获得足够多的能量．CAS出现需要的入射动量的相空间不小，而且在实验上可以达到．此外，最佳入射动能对激光强度并不敏感，在小角入射时大约在10—20MeV．研究发现，CAS出现需要的激光场强相当高，电子获得的能量在电子进入CAS通道时急剧上升．此外文章还介绍了有质动力加速模型的特点和机制、附加磁场的加速机制．     

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。     

低密等离子体通道中的非共振激光直接加速

在低密等离子体通道中, 横向有质动力可以有效调制电子的横向振荡过程. 一方面, 横向有质动力可以向外推动电子, 增大电子横向振荡振幅, 减小失相率, 使电子获得能量增益; 另一方面, 横向有质动力也可以通过对失相率的非线性调制来降低失相率, 在电子横向振荡振幅很小的情况下导致激光直接加速. 横向有质动力调制的大小由等离子体密度、激光强度和束宽共同决定. 三维模型结果也证实可以通过参数放大实现激光直接加速, 弥补了准二维模型的局限性.     

激光与固体靶相互作用中低密度预等离子体对高能电子产生的影响

对线极化、圆极化的超短超强激光脉冲与靶前有一段低密度预等离子体的固体靶的相互作用进行了理论和粒子模拟研究。激光通过有质动力加速机制加速预等离子体中的电子,研究了电子获得的最大能量随激光强度和预等离子体密度的变化。当激光脉冲与靶直接作用时,靶中的电子由于JB机制而得到加速,所获得的能量比预等离子体中电子低。研究表明,在超短超强激光脉冲与固体靶相互作用中,预等离子体的存在有利于高能电子的产生。     

激光与固体靶相互作用中低密度预等离子体对高能电子产生的影响

 对线极化、圆极化的超短超强激光脉冲与靶前有一段低密度预等离子体的固体靶的相互作用进行了理论和粒子模拟研究。激光通过有质动力加速机制加速预等离子体中的电子，研究了电子获得的最大能量随激光强度和预等离子体密度的变化。当激光脉冲与靶直接作用时，靶中的电子由于J×B机制而得到加速，所获得的能量比预等离子体中电子低。研究表明，在超短超强激光脉冲与固体靶相互作用中，预等离子体的存在有利于高能电子的产生。     

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.     

有质动力对超短脉冲激光与固体等离子体相互作用的影响

通过测量由等离子体临界面移动造成的反射激光的频移,研究了有质动力对超短脉冲激光与固体等离子体相互作用的影响。实验表明,当激光强度达到1017 W/cm2时,有质动力将明显地降低等离子体热膨胀速度,造成极陡的密度分布,使得等离子体中的主导吸收机制,由共振吸收转换为真空吸收。     

PHOTON ACCELERATION DRIVEN BY AN INTENSE LASER PULSE

Interaction of a laser field with a plasma wave is studied by metric optics. Analysis shows that the frequency upshifting of the laser pulse results from the plasma density gradient. A laser beam can be thought of as a packet of photons moving in a plasma and thus the laser frequency upshifting is equivalent to photon acceleration. Examination of the three-dimensional motion equations shows that a laser beam diffraction occurs in the presence of a radial variation of the plasma density. It is argued that the focusing mechanism originating from the plasma wave can curb laser diffraction so that photons may be trapped in the plasma wave and accelerated continuously.     

一维势场中电子对强激光场的非线性散射

数值求解一维势场中电子对强激光场的非线性散射问题，比较了不同形状和深度的势场中电子对不同频率和强度的激光脉冲非线性散射的影响。结果发现：（１）对一定强度和频率的激光脉冲，紧束缚的势场抑制高次谐波的产生；（２）一定势场中，电子对高频场（与低频场强度相同）的散射更易表现出谐波行为，但级次不高。     

强流电子束泵浦百焦耳级氟化氪激光

本文介绍中国原子能科学研究院建造的强流电子束泵浦的百焦耳级氟化氪激光装置的主要性能,重点介绍脉冲功率技术和激光振荡器的一些关键技术。     

电子束与等离子体相互作用中的反常效应

本文对强流相对论性电子束与靶等离子体相互作用的反常吸收效应进行了理论研究。从符拉索夫方程出发,导出了强流相对论性电子束双流不稳定性效应解,并进行了弱碰撞修正,得到了相应的等离子体波增长率,对不同情况下出现反常效应的条件及机制进行了研究和讨论。     

低泵浦能量类氖锗等离子体软X射线激光实验

提出并采用具有一定时间间隔的双束脉冲加热锗薄膜靶方法，在泵浦激光能量１００Ｊ，靶长１０ｍｍ的实验条件下，观察到波长１９．６１ｎｍ和２３．６３ｎｍ两条类氖锗３ｓ－３ｐ激光跃迁线。１９．６１ｎｍ（Ｊ＝０－１）的激光跃迁线发射强度较２３．６３ｎｍ（Ｊ＝２－１）激光线的强度大，其发散角较后者小。     

远红外自由电子激光器脉冲结构

 采用整体数值模拟方法，研究了中物院远红外自由电子激光装置的起振和脉冲结构。给出了为克服激光呆滞效应起振所需的腔长失谐值，腔长调节精度和调节范围。预计了装置的增益、功率、脉冲宽度和谱线宽度等重要参量。研究了不同腔长失谐值下光脉冲结构的变化。     

ELECTRON ACCELERATION BY A LOCALIZED,HLGH FREQUENCY ELECTRIC FIELD OCDDRRING IN LASER PLASMA

The problem of electron acceleration by a localized,high frequency electric field has been further investigated by using single particle orbit computations and the resonant field. The computational results obtained can give a better explanation to the phenomena observed in experiments and in particle simulations,it indicates that,the Localized field occurring in resonant absorption behaves more Like a travelling wave, and the resonance of the field with electrons in the critical density region can account for the generation of energetic electrons.     

百焦耳级XeCl准分子激光实验研究

介绍了西北核技术研究所利用“闪光Ⅱ号”强流相对论电子束加速器作泵浦源研制的百焦耳级XeCl准分子激光器的主要性能和实验结果。     

射频自由电子激光器中光脉冲演化的模拟研究

用一维脉冲程序研究了自由电子激光器中光脉冲的演化过程。除了给出运转参数外，着重研究了脉冲的形状、位置抖动、能散度、光腔的同步失配等对光脉冲演化的影响。指出在同样条件下利用后倾的电子脉冲能够提高光脉冲能量的饱和值近一倍。