相对论激光尾场产生阿秒电子片与阿秒光脉冲

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1、申请上海交通大学博士学位论文相对论激光尾场产生阿秒电子片与阿秒光脉冲论文作者黎飞宇学号0090729009指导教师盛政明教授专业等离子体物理答辩日期2014年1012月2329日万方数据SubmittedintotalfulfilmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofScienceinPlasmaPhysicsAttosecondElectronSheetsandAttosecondLightPulsesfromRelativisticLaserWakefieldsF-YLISupervis

2、orProf.Z-MSHENGDPASJTUS,COctober23,2014December29,2014万方数据万方数据万方数据上海交通大学博士学位论文摘要相对论激光尾场产生阿秒电子片与阿秒光脉冲摘要作为现代物理学最前沿的研究领域之一，阿秒科学主要研究物质在原子时间尺度的超快动力学过程，其核心课题之一是如何产生孤立的高亮度阿秒光脉冲。一种常用方法是基于非相对论强激光激发的气体高次谐波产生。与此同时，相对

3、论强激光与等离子体作用为产生更高亮度的阿秒脉冲提供了新途径。目前这方面研究主要基于强激光与固体靶作用，而有关与气体密度等离子体作用的研究很少涉及。超短相对论强激光在气体密度等离子体中传播时的主要现象是尾场激发与相应的电子加速。基于激光尾场加速，通常可以获得飞秒脉宽的电子束和飞秒非相干的X射线脉冲。本论文提出并研究一个新的激光尾场加速机制，即通过准一维尾场激发和可控的电子注入，产生高密度阿秒电子片以及相干、孤立的超强阿秒光脉冲。该机制要求激光焦斑大于其激发的尾场的波长。相应地，尾波电子（特别是那些靠近光轴的电子）主要作一维纵向振荡，不同于紧聚

4、焦激光驱动的空泡机制，其中电子横向运动占主导。最显著的是，强烈激发的准一维尾波密度峰可形成盘状结构的高密度电子片。通过理论分析和粒子模拟，我们对该非线性准一维激光尾场的多个方面开展研究，包括电子片的注入与加速、以及相应高强度阿秒光脉冲的产生机制与特点等。本论文工作对今后激光尾场加速和辐射产生的实验研究具有启发和指导意义。论文具体涉及以下三方面工作。第一部分，提出一种将高密度电子片可控注入到准一维激光尾场的机制。该机制利用了沿着激光传播方向等离子体密度从上升前沿到后续平台的转换。相应地，波破过程集中地发生在密度转换位置附近，导致尾场密度峰内大

5、量电子同步纵向注入尾场，形成一个纳米厚度（时域为阿秒量级）、纳库伦电量的高密度电子片。该同步纵向注入与通常空泡机制下的准连续性横向注入显著不同。通过分析非均匀等离子体中激光尾场相速度的演化，揭示了阿秒电子片注入的物理机制，研究了注入发生的阈值激光条件和该机制的有效激光等离子体参数空间。此外，简单讨论了该机制从准一维模式到空泡模式的转换以及相应的电子注入行为。—i—万方数据上海交通大学博士学位论文摘要第二部分，研究了阿秒电子片在激光尾场中传播时的辐射性质，发现了基于激光尾场加速产生阿秒脉冲的相干类同步辐射机制。研究发现，电子片注入尾场后，一方

6、面受纵向尾场作用而加速，另一方面受聚焦尾场作用而发生径向收缩。该初始收缩过程可提供辐射电流，产生一束高强度、径向偏振、100阿秒左右脉宽的半周期光脉冲。论文将该结果与通常基于空泡加速的betatron辐射进行了对比。推导了半周期辐射的基本动力学，澄清了主要由电子片横向速度引起的其它多维效应（如辐射的聚焦），并研究了激光参数对辐射产生的影响。此外，还将本方案与其它半周期辐射产生机制进行对比，讨论了本方案所需的实验条件。最后第三部分，研究利用注入阿秒电子片作为相对论飞镜产生相干Thomson背散射。基于非线性激光尾波的相对论飞镜概念早在10年前

7、就已提出，其中飞镜速度（或相干背散射的Doppler频移因子）受限于尾场相速度。为获得X射线波段的相干背散射，需要使用很低密度的等离子体。研究发现低密度等离子体的使用将导致一系列难题，包括需求超高的激光峰值功率。而基于注入电子片的相对论飞镜，飞镜速度因尾场加速很容易突破上述限制。相应地，可使用高密度的气体靶以及中等激光条件来驱动keV光子能量的相干背散射。论文通过高精度PIC模拟验证了尾场加速飞镜的概念，包括一维下的线性和非线性相干背散射，以及二维下的非线性相干背散射。结果显示可以得到脉宽为阿秒量级、峰值功率与X射线自由电子激光输出可比拟的

8、相干X射线Thomson背散射。关键词：阿秒物理，相对论激光等离子体物理，激光尾场加速，准一维模式，阿秒电子片，阿秒光脉冲，相对论飞镜，粒子模拟—ii—万方数据上海交通大学博士学