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激光场相速度分布与激光加速电子的研究

谢永杰  
【摘要】: 随着强激光技术的迅猛发展,研究利用激光的超强电磁场加速电子,并据此发展新一代小型化高能加速器已受到人们普遍关注。本论文针对真空激光加速中的关键环节一相滑移问题,对聚焦激光场的相速度进行了深入的研究。得到了近轴近似高斯光场中低相速度区的分布规律和相应量化结果,并探索了光场低相速度产生的原因,分析了低相速度区与电子俘获加速机制CAS(Capture and Acceleration Scenario)的关系。并进一步采用高阶修正场、精确非近轴近似积分场和超短脉冲高斯激光场求解和证明了聚焦激光束存在低相速度区的问题。 本论文首先对广泛使用的近轴近似高斯光束进行研究,结果表明对于聚焦的高斯激光束,在光束的外缘存在着低相速度区,此区域恰好位于一倍激光束轮廓线外侧,并沿着激光衍射角θ=1/kw_0方向延伸。当腰宽kw_0=60(k为激光波数,w_0为激光束腰宽)时,在一倍瑞利长度内激光束轮廓线w(z)与V_(ψm)=c的曲线间最大偏差小于0.01%。在此区域内光波的相速度小于真空光速c,其数值可以定标为V_(ψm)~c(1+6/(kw_0)~2)。同时由于聚焦光场不再是简单的横场,其电场总存在着纵向分量,这两者的结合便在激光场中形成了一个天然的加速通道,其性质与通常线性加速器中的波导管非常相似。如果相对论电子能够注入到这一通道内,那么它与激光场间的相移就可能变得非常小,从而能够长时间地保持在加速相中得到极高能量。这给了CAS机制很好的物理解释。通过对平面波小孔衍射场进行研究表明,衍射可以造成光场相速度小于光速。实际光束总是衍射受限的,传统观点(Lawson-Woodward定理)基于无限空间自由传播的波场得出真空激光无法用于电子加速的结论是不恰当的。在高斯光束中正是衍射相因子kr~2/2R(z)导致了光场低相速度区的出现。 随着强激光聚焦光斑的缩小,采用近轴近似解描述光场会出现较大误差。为进一步验证光场存在低相速度区及其分布规律,对高阶修正高斯光场进行了研究。结果表明对于近轴近似及高阶修正光场,低相速度区分布在本质上是相同的,只是腰宽kw_0<30时数值上的差异渐渐增大。结合对CAS电子动力学的研究得出,当光束腰宽kw_0≥60时,激光场的高阶描述带来的修正效应可以忽略不计。此结果肯定了基于近轴近似场描述所得的一系列研究结果,是对CAS机制理论研究的重要支持。 为将光场低相速度的研究深入到更加普遍的情况,以严格证明光场存在低相速度区。采用角谱分析的方法得到了高斯光束的严格积分解,进而采用此精确非近轴积分解研究了光场的相速度分布。结果表明对于腰宽仅有几倍波长的强聚焦高斯光束,低相速度区仍然存在,并且低相速度区分布的规律与近轴近似场结果在本质上是一致的。特别当激光束腰宽kw_0≥30时,近轴近似解与精确解重合得很好。对严格积分解高斯光束进行展开分析可以看出,近轴近似解相当于是精确非近轴解关于小量s展开后的零阶近似情况,当激光腰宽较大时,可以用近轴近似解描述光场并得到合理的结果。目前高功率激光技术正向着超短、超强的方向发展,对于超短脉冲激光其光场已不再可以简单的写作空间强度项与时间脉冲项的乘积。本论文对这种时空耦合的超短脉冲光场进行了光场传播及相速度研究。结果表明,脉冲修正项ω_0{1-(rδ)~2/[ω_0w_0(z)]~2}会造成光场相速度进一步减小,其中ω_0为激光中心频率,δ为脉冲频谱宽度。对于超短脉冲光场,其_(ψm)=c曲线将向光束轮廓线内侧扩展,因此低相速度区域会增大,不过其基本分布规律与稳恒场是一致的。 同步加速对于粒子加速器设计是非常重要的。在真空激光加速中,正是由于光场的相速度和周期性,致使“在真空中自由电子与光束间能否发生净能量交换”这一基本问题曾长期在学术界存在争议。本课题的重点在于研究真空聚焦光束是否存在低相速度区及其特点与分布规律,以解决真空激光远场同步加速问题。在国际上,这个问题是由本课题组首先提出的,它对于解释CAS机制以及促进其它同步激光加速概念发展是很关键的。另外,相速度本身是光场传播理论中的一个基本问题,研究光场低相速度区存在的一般规律,也是一个有意义的基础性研究课题。


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