激光等离子体相互作用中的受激拉曼侧向散射和阿秒电子束产生研究

发布时间：2020-10-29 17:56

　　 近三十年,激光技术的快速进步有力地推动了激光与等离子体相互作用研究。相关的诸多物理问题,比如激光在等离子体中的传输、等离子体波的激发、不稳定性的发展等,得到了深入研究,并取得了令人瞩目的进展,同时衍生出许多重要应用,如惯性约束聚变、激光驱动粒子源、激光驱动辐射源等。本论文着重研究激光等离子体相互作用过程中与等离子体波相关的物理问题,主要做了以下两个方面的工作:1.从数值模拟和理论两个方面研究了强激光在陡峭密度梯度等离子体中激发的受激拉曼侧向散射。随着超短超强激光的发展,陡峭密度梯度等离子体中的不稳定性得到广泛的关注。粒子模拟结果表明,即使等离子体标长短至一个激光波长,强受激拉曼侧向散射本征模也会被激发。通过研究标长对受激拉曼侧向散射光特性的影响,发现存在一个最小标长以确保散射光足够强,以能够有效地被观测到;而且随着等离子体标长的增大,散射光的频率逐渐接近入射激光脉冲频率的一半。当不考虑离子运动时,模拟结果与非均匀等离子体中受激拉曼侧向散射增长的线性理论较为吻合,表明线性理论适用于陡峭密度梯度等离子体中受激拉曼侧向散射的增长。但是,在模拟中考虑离子运动时,由有质动力引起的等离子体弯曲对散射光的性质有重要影响。尽管如此,根据陡峭密度梯度等离子体中激发的受激拉曼侧向散射本征模特性可以定性地判断短等离子体密度标长的范围。这对于激光与纳米薄膜靶的相互作用研究是有利的。2.利用2维粒子模拟研究了晶体中相对论X射线激光驱动尾场产生阿秒高品质电子束的物理机制。作为一种新型光源,X射线激光快速发展,并有望在将来获得相对论强度的阿秒X射线脉冲。相对论强度X射线在晶体中可以激发出TV/cm量级的空泡尾场。虽然尾场会受到晶格附近的静电场的影响而呈现周期性的调制,但尾场中电子的加速并没有受到影响。由于晶体的稳定性,在尖锐的晶体真空边界处的波破可以导致电子注入到空泡中,而且这种注入具有较高的重复性。此外,可以通过在晶体上镀不同密度的纳米薄膜的方式来控制电子注入。基于相对论X射线激光和微米厚的晶体片的相互作用,可以获得低发射度、低能散的高能阿秒电子束。这种小型晶体加速器具有MHz量级的重频和对电子束参数的充分控制。未来它可以作为具有阿秒分辨能力的超快电子衍射和超快电子显微镜的理想电子源。
【学位单位】：上海师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TN24;O53
【部分图文】：

其中,分别是入射泵浦光的频率和波矢,分别是散射光的频率和波矢,分别是电子等离子体波的频率和波矢。根据散射光激发的相对方向,受激拉曼散射可分为以下几种机制:受激拉曼背向散射、受激拉曼前向散射以及受激拉曼侧向散射。其相应的波矢匹配关系如图1-1所示。在等离子体中,入射泵浦光、散射光和电子等离子体波分别遵循如下色散关系:

2001年,E.S.Dodd等人研究了激光频率啁啾对拉曼前向散射的影响[19]。他们选取120fs的half-sine型激光包络,并且采用脉宽守恒而频带展宽的啁啾形式,无啁啾时激光频谱带宽为1.3%,引入频率啁啾后带宽增加到20%。粒子模拟结果表明正啁啾激光脉冲极大地加强了拉曼前向散射,而负啁啾则完全抑制了拉曼前向散射的发生,如图1-2所示。2017年,赵耀等人提出利用宽带解耦激光束来实现对受激拉曼散射的有效抑制[22]。借助色散关系,他们发现如果两束不同频率的单色激光束的参量不稳定区域在等离子体波的波矢空间没有交叠时,这两束光之间就不能通过等离子体波的激发产生耦合。通过设计合适的非相干合成光的参数,能够实现对SRS等不稳定的有效抑制。相比正弦调频激光,这种“宽带解耦激光束”由于引入了随机相位使得对SRS的抑制更加明显。

另一个有关受激拉曼散射的研究热点是利用泵浦光在等离子体通道中的背向拉曼散射来实现对种子光的压缩和放大,即受激拉曼放大技术[25-34]。1999年,该技术由Malkin等人在理论上首次提出,并预言当达到非线性放大阶段的泵浦耗尽机制时,种子光可以成为一个量级的极高功率输出[25]。图1-3是背向拉曼散射放大的示意图。泵浦光和种子光共振激发等离子体波,当泵浦光,种子光及等离子体波满足三波共振条件时,泵浦光的能量通过等离子体波背向散射转移到种子光里。当泵浦光频率约10倍于等离子体波频率时,理论上其能量转换效率可以高达90%。如果种子光碰到的泵浦光能量全部被背向散射到种子光里(即泵浦耗尽),那么种子光波前始终能够就被持续地放大,而种子光后沿只能跟被种子光波前已耗尽的泵浦光作用,其放大效果不明显。这样种子光的大部分能量都集中在波前,种子整体的脉宽就会变窄。2000年普林斯顿团队首次在实验上验证了基于等离子体的背向拉曼放大[26]。此后,等离子体中背向拉曼放大的实验取得了很大的进展[27-32]。其中,Ren等人利用脉宽为20ps的803nm泵浦光对550fs、878nm的种子实现了4000倍的放大,同时还观察到了种子光脉宽的压缩[29]。在他们的实验中,首先利用1064nm、6ns的预激光产生了具有一定密度梯度的等离子体,巧妙地利用等离子体的密度梯度来克服由种子光谱宽引起的失谐效应。2008年,Pai等人利用一束160ps的加热光和38fs的点火光击穿氢气产生了一个密度为、9mm长的等离子体波导,在该等离子体波导中脉宽为160ps的810nm泵浦光实现了对脉宽为38fs的869nm种子光的900倍放大[30]。
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本文编号：2861250