拉盖尔—高斯激光驱动超短电子脉冲的产生、加速及其应用研究
发布时间：2021-10-30 17:25
随着超快物理的发展,人们在飞秒时间尺度内实时观测了物质中原子和分子的运动。随着研究的深入,人们期待能在阿秒时间尺度内观测和控制原子内部状态。高品质的超短电子脉冲,促进了超快技术的不断发展。虽然传统加速器可以把电子加速到很高能量,但由于注入器技术及束团拉伸效应的限制,它很难产生脉宽低于百飞秒（10-1515 s）的超短电子脉冲。伴随激光技术的不断进步,特别是调Q技术、激光锁模技术和啁啾脉冲放大技术,激光脉宽从纳秒（10-99 s）缩短到飞秒量级,峰值功率也从兆瓦（106 W）提高到了拍瓦量级（10155 W）。目前,激光的峰值强度已经超过了10222 W/cm2。由于超短超强激光的脉宽通常在几十飞秒,它与物质的相互作用在超短电子脉冲的产生上具有天然优势。超短超强激光的产生也把激光与物质的相互作用推向相对论研究范畴,此时激光场中的相对论电子动力学占据了主导地位。由等离子体中相对论带电粒子运动所驱动的光学过程,即所谓的“相对论等离子体光学”,极大地促进了超快物理...
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：177 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
激光聚焦强度随年代的演化[32]
国防科技大学研究生院博士学位论文图1.2激光空泡加速示意图[59]。图中蓝色表示电子密度，红色表示激光电场强度。泡，电子被空泡捕获后可以被加速到很高能量，如图1.2所示，这种机制被称为等离子体空泡加速。通过引入预等离子体通道[62]或毛细管结构[63]，可以显著延长电子的加速距离，从而大幅提高电子的能量。通过采用背向拉曼散射注入[64]、激光脉冲注入[65]、密度梯度注入[66]和高阶离化注入[67]等方法，可以显著增大电荷量、改善电子脉冲能散，从而进一步优化电子脉冲的品质。2004年，国际上的多个实验室同时在自然杂志上报道了利用功率10～30TW左右、脉宽30～55fs的台面型激光器产生了能量在几十到几百MeV、脉宽十几飞秒的准单能电子脉冲，在电子加速领域引起了轰动，被称为“梦之束”[68–70]。目前，基于激光尾波场加速机制，人们已经实现了100GeV/m的加速梯度，能够在毫米尺度上获得在品质上可以媲美传统加速器的超短电子脉冲[71,72]。未来，利用级联加速或带电粒子束驱动的尾场加速，人们希望能够产生100GeV或1TeV的超短电子脉冲[73,74]。虽然激光尾波场加速机制取得了可喜的研究进展，但由于束流负载效应，电子脉冲的电荷量被局限在几十pC。为了显著提高电荷量，激光直接加速机制应运而生，主要包括激光共振加速[75]、激光有质动力加速[76]和激光纵向电场加速。1999年，Pukhov等人[77]通过三维数值模拟发现，在自生电磁场的作用下，电子可以在等离子体通道中发生Betatron振荡。当电子的振荡频率接近激光频率时，形成了共振，电子可以从激光场中有效地获得能量。目前，这种加速机制也已经被实验结果证实[78]。研究表明，当超强激光与固体靶相互作用，靶内电子可以被激光有质动力加速到很高能量，电子的最大相对论因子γmax≈1+a20/2。最?
国防科技大学研究生院博士学位论文图1.3光子-光子对撞机示意图[95]。图中两束超强激光驱动窄通道靶产生了高度准直的γ射线脉冲；两束γ射线相撞后，通过双光子Breit-Wheeler过程(γγ′→ee+)产生了大量准直的正电子。通过位于碰撞区域后的质谱仪可以探测正电子信号。当激光强度增加到1020W/cm2，利用超强激光脉冲辐照高Z材料，可以产生大量超热电子。在此过程中，超强激光产生的MeV量级的超热电子可以通过Trident(e+Z→e++2e+Z)和Bethe-Heitler(e+Z→γ+e+Z,γ+Z→e++e+Z)[111,112]这两种机制来产生正电子。这种方案在实验上已经得到实现[113,114]，但产生的正电子的密度只有1016～17/cm3。随着以欧盟极光基础设施(ExtremeLightInfrastructure,ELI)[115,116]为代表的大型拍瓦激光装置的建成，激光峰值强度被提高到1022W/cm2以上。此时，辐射阻尼效应主导了电子的非线性动力学，能够揭示量子真空结构，并触发正负电子对、μ子-反μ子及介子-反介子的产生[117]。2016年，朱兴龙等人[118]提出利用两束强度为1022W/cm2的激光脉冲辐照双锥靶来大幅增强正电子产额。当近临界密度等离子体中的电子被辐射捕获后，将在激光场中强烈振荡，并发出高亮γ射线。当γ射线与锥靶聚焦后的激光脉冲相遇后，通过多光子Breit-Wheeler过程(γ+nω0→e+e+)[119]产生了1011个密度高达4×1022/cm3的GeV的正电子。2019年，余金清等人[95]提出了利用双光子Breit-Wheeler过程(γ+γ′→e+e+)[120]来产生正电子的方案。如图1.3所示，两束峰值强度为1023W/cm2的激光脉冲辐照到长200μm、内径4μm的窄通道靶中，通过纵向电场分量使电子加速到近GeV能量。在横向作用力的调制下，电子发射出1014个、发散角为3的γ光子，对应的γ射线的亮度达到了1.5×102
【参考文献】：
期刊论文
[1]高功率涡旋光束产生方法研究进展[J]. 孙喜博,朱启华,刘兰琴,黄晚晴,张颖,王文义,耿远超. 激光与光电子学进展. 2017(07)
[2]第一讲 台面型电子加速器——激光尾波场加速器[J]. 陈民,盛政明,马燕云,张杰. 物理. 2006(12)
[3]超短超强激光脉冲驱动等离子体波加速电子方案以及最新研究进展[J]. 盛政明,张杰. 自然科学进展. 2006(07)
[4]超导在加速器中的应用概况[J]. 温华明,严陆光,林良真. 低温与超导. 2005(01)
[5]等离子体粒子模拟中的改进型Borris旋动粒子方法[J]. 银燕,常文蔚. 国防科技大学学报. 2003(06)
[6]医用电子加速器进展[J]. 赵根深. 自然杂志. 1983(06)
博士论文
[1]超强激光驱动高能离子的产生、操控及其能量沉积过程研究[D]. 邹德滨.国防科学技术大学 2016
[2]超强激光与等离子体相互作用中超热电子的产生和输运研究[D]. 杨晓虎.国防科学技术大学 2012
[3]光镊的理论模型及纳米颗粒的操纵[D]. 周金华.中国科学技术大学 2010
[4]真空激光有质动力加速机制和物理特性的研究[D]. 林丹.复旦大学 2008
[5]超强激光与固体靶相互作用中的能量吸收机制以及10～9高斯准静态磁场的研究[D]. 蔡洪波.中国工程物理研究院 2007
[6]超短超强激光脉冲与高密度等离子体相互作用的粒子模拟研究[D]. 银燕.中国人民解放军国防科学技术大学 2003
硕士论文
[1]螺旋相位板法产生涡旋光束及其特性研究[D]. 张磊.燕山大学 2014
本文编号：3467125
【文章来源】：国防科技大学湖南省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：177 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
激光聚焦强度随年代的演化[32]
国防科技大学研究生院博士学位论文图1.2激光空泡加速示意图[59]。图中蓝色表示电子密度，红色表示激光电场强度。泡，电子被空泡捕获后可以被加速到很高能量，如图1.2所示，这种机制被称为等离子体空泡加速。通过引入预等离子体通道[62]或毛细管结构[63]，可以显著延长电子的加速距离，从而大幅提高电子的能量。通过采用背向拉曼散射注入[64]、激光脉冲注入[65]、密度梯度注入[66]和高阶离化注入[67]等方法，可以显著增大电荷量、改善电子脉冲能散，从而进一步优化电子脉冲的品质。2004年，国际上的多个实验室同时在自然杂志上报道了利用功率10～30TW左右、脉宽30～55fs的台面型激光器产生了能量在几十到几百MeV、脉宽十几飞秒的准单能电子脉冲，在电子加速领域引起了轰动，被称为“梦之束”[68–70]。目前，基于激光尾波场加速机制，人们已经实现了100GeV/m的加速梯度，能够在毫米尺度上获得在品质上可以媲美传统加速器的超短电子脉冲[71,72]。未来，利用级联加速或带电粒子束驱动的尾场加速，人们希望能够产生100GeV或1TeV的超短电子脉冲[73,74]。虽然激光尾波场加速机制取得了可喜的研究进展，但由于束流负载效应，电子脉冲的电荷量被局限在几十pC。为了显著提高电荷量，激光直接加速机制应运而生，主要包括激光共振加速[75]、激光有质动力加速[76]和激光纵向电场加速。1999年，Pukhov等人[77]通过三维数值模拟发现，在自生电磁场的作用下，电子可以在等离子体通道中发生Betatron振荡。当电子的振荡频率接近激光频率时，形成了共振，电子可以从激光场中有效地获得能量。目前，这种加速机制也已经被实验结果证实[78]。研究表明，当超强激光与固体靶相互作用，靶内电子可以被激光有质动力加速到很高能量，电子的最大相对论因子γmax≈1+a20/2。最?
国防科技大学研究生院博士学位论文图1.3光子-光子对撞机示意图[95]。图中两束超强激光驱动窄通道靶产生了高度准直的γ射线脉冲；两束γ射线相撞后，通过双光子Breit-Wheeler过程(γγ′→ee+)产生了大量准直的正电子。通过位于碰撞区域后的质谱仪可以探测正电子信号。当激光强度增加到1020W/cm2，利用超强激光脉冲辐照高Z材料，可以产生大量超热电子。在此过程中，超强激光产生的MeV量级的超热电子可以通过Trident(e+Z→e++2e+Z)和Bethe-Heitler(e+Z→γ+e+Z,γ+Z→e++e+Z)[111,112]这两种机制来产生正电子。这种方案在实验上已经得到实现[113,114]，但产生的正电子的密度只有1016～17/cm3。随着以欧盟极光基础设施(ExtremeLightInfrastructure,ELI)[115,116]为代表的大型拍瓦激光装置的建成，激光峰值强度被提高到1022W/cm2以上。此时，辐射阻尼效应主导了电子的非线性动力学，能够揭示量子真空结构，并触发正负电子对、μ子-反μ子及介子-反介子的产生[117]。2016年，朱兴龙等人[118]提出利用两束强度为1022W/cm2的激光脉冲辐照双锥靶来大幅增强正电子产额。当近临界密度等离子体中的电子被辐射捕获后，将在激光场中强烈振荡，并发出高亮γ射线。当γ射线与锥靶聚焦后的激光脉冲相遇后，通过多光子Breit-Wheeler过程(γ+nω0→e+e+)[119]产生了1011个密度高达4×1022/cm3的GeV的正电子。2019年，余金清等人[95]提出了利用双光子Breit-Wheeler过程(γ+γ′→e+e+)[120]来产生正电子的方案。如图1.3所示，两束峰值强度为1023W/cm2的激光脉冲辐照到长200μm、内径4μm的窄通道靶中，通过纵向电场分量使电子加速到近GeV能量。在横向作用力的调制下，电子发射出1014个、发散角为3的γ光子，对应的γ射线的亮度达到了1.5×102
【参考文献】：
期刊论文
[1]高功率涡旋光束产生方法研究进展[J]. 孙喜博,朱启华,刘兰琴,黄晚晴,张颖,王文义,耿远超. 激光与光电子学进展. 2017(07)
[2]第一讲 台面型电子加速器——激光尾波场加速器[J]. 陈民,盛政明,马燕云,张杰. 物理. 2006(12)
[3]超短超强激光脉冲驱动等离子体波加速电子方案以及最新研究进展[J]. 盛政明,张杰. 自然科学进展. 2006(07)
[4]超导在加速器中的应用概况[J]. 温华明,严陆光,林良真. 低温与超导. 2005(01)
[5]等离子体粒子模拟中的改进型Borris旋动粒子方法[J]. 银燕,常文蔚. 国防科技大学学报. 2003(06)
[6]医用电子加速器进展[J]. 赵根深. 自然杂志. 1983(06)
博士论文
[1]超强激光驱动高能离子的产生、操控及其能量沉积过程研究[D]. 邹德滨.国防科学技术大学 2016
[2]超强激光与等离子体相互作用中超热电子的产生和输运研究[D]. 杨晓虎.国防科学技术大学 2012
[3]光镊的理论模型及纳米颗粒的操纵[D]. 周金华.中国科学技术大学 2010
[4]真空激光有质动力加速机制和物理特性的研究[D]. 林丹.复旦大学 2008
[5]超强激光与固体靶相互作用中的能量吸收机制以及10～9高斯准静态磁场的研究[D]. 蔡洪波.中国工程物理研究院 2007
[6]超短超强激光脉冲与高密度等离子体相互作用的粒子模拟研究[D]. 银燕.中国人民解放军国防科学技术大学 2003
硕士论文
[1]螺旋相位板法产生涡旋光束及其特性研究[D]. 张磊.燕山大学 2014
本文编号：3467125
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