超短超强圆偏振激光对电子的加速研究

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1、万方数据中国工程物理研究院学位论文(申请中国工程物理研究院博士学位论文)超短超强圆偏振激光对电子的加速研究牛海燕专业名称：等离子体物理指导教师：贺贤土院士周沧涛研究员申请学位：理学博士中国工程物理研究院二Oo九年五月万方数据TheStudyofElectronAccelerationbyUltra-IntenseLaserwithCircularPolarizationbyHaiyanNiuSubmittedtoChinaAcademyofEngineeringPhysicsinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofP

2、hilosophyMajorSubject：PlasmaPhysicsThesisSupervisor：AcademicianXiantuHeProfessorCangtaoZhouMay2009万方数据独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国工程物理研究院或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。糊⋯虢枇筮黼期：?钿『日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解

3、并接受中国工程物理研究院研究生部有关保存、使用学位论文的规定．允许论文被查阅、借阅和送交国家有关部门或机构，同时授权中国工程物理研究院研究生部可以将学位论文全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。籼一始默如签字日期：矽四年()月1日导师签名：、、夕复l缘垒签字日期：丑内罗年彳月1日万方数据摘要超短超强激光技术的迅速发展为激光与物质相互作用领域的研究提供了前所未有的全新实验手段与极端物理条件，极大地推动了本领域基础研究和应用研究的深入开展．超短超强激光通常是指脉冲宽度处于皮秒(10—12秒)与飞秒(10—15秒)之间、聚焦强度可达1018Wcmq

4、以上的激光，其相应的局域电场可以达到1010vcnl一-以上，已大于氢原子中第一玻尔半径轨道上电子受到的库伦场(约为109Vcm。)。这样的激光与物质相互作用最终表现为超强超短激光与等离子体的相互作用。在该过程中，超强激光加速高能粒子一直是近些年国际上的研究热点．一方面，相对论电子束的产生、加速和准直是惯性约束核聚变(ICF)电子束“陕点火”物理方案的重要课题。该方案可以分为三个阶段。第一阶段是靶丸压缩阶段，第二阶段为相对论电子束的产生阶段，第三阶段是相对论电子束在高密度等离子体中输运并在芯区边缘沉积能量形成点火热斑的阶段．由于点火热斑的尺度约为二十微米左右，即Ⅱ粒子射程，所以客观上要求产生

5、准直性非常好的相对论电子柬．另一方面，由于高能粒子物理的研究对传统高能粒子加速器的输出能量要求增长很快，导致加速器的规模和建造费用相应大增。而超强激光加速粒子具有加速梯度大的优点，为了进一步提高输出能量和减少成本，对新型台式高能粒子加速器的研究便引起人们的广泛兴趣．这不仅表现在对激光一等离子体加速的研究，同时引起人们对激光真空粒子加速研究的重视。此外，激光加速粒子在医疗、诊断、工业加工以及对探索天体物理中的粒子加速机制有广泛的应用前景．对激光加速粒子的研究主要集中在加速机制探讨和准单能粒子束的产生问题上，本论文将围绕这些问题重点开展了两方面的研究工作，即对超强超短激光与低密度等离子体相互作用

6、中电子的Betatron共振加速问题和紧聚焦超强超短激光对注入的自由电子束的加速问题进行了理论分析和相应的数值计算．具体包括：1．研究了圆偏振强激光与低密度等离子体相互作用过程中等离子体通道内电子的Betatron共振加速问题。前人提出了等离子体通道内电子的Betatron共振的概念，给出了电子Betatron共振的条件，并对线偏振激光与等离子体相互作用时电子的共振行为作了较详细的讨论。本论文从理论分析和数值计算两个角度分析了圆偏振激光和等离子体作用中电子的共振行为，数值上，从激光和电子锁相的角度验证了电子的共振条件。特别指出，与线偏振情况相比，由于圆偏振情况下通道内电子受到万方数据超短超强

7、圆偏振激光对电子的加速研究环向磁场的箍缩和轴向磁场的导向的联合作用，共振电子束具有很好的准直特性。2．提出了利用缓慢衰减等离子体与强激光相互作用来加强电子共振能量获得的新方法。我们已经知道，当共振发生时，电子可以直接有效地从激光获得很大能量。但是由于相对论效应，电子的Betatron振荡频率％迅速变小，其与电子感受到的激光频率也很快失配，导致共振结束。而在等离子体密度衰减情况下，激光传播的相速度％一变小，也使