超强超短激光与电子作用中的阿秒光脉冲产生机制的研究

摘要

阿秒光脉冲是具有极短脉冲宽度的短波长辐射。用阿秒光脉冲作为探测光，可以获得超高的时间分辨能力，在物理学、化学、生物学和医学等研究领域都有重要的潜在应用。目前阿秒光脉冲的产生主要是利用激光和气体或者固体相互作用来实现。激光与气体或固体作用时能够产生高级次的谐波，将谐波的低频成分滤除后即可获得超短光脉冲。随着激光技术的发展，激光的电场强度已经超过相对论强度，光场中运动的自由电子速度接近光速，根据相对论多普勒效应，由这种超高速运动的电子所辐射的光波可以具有极高频率成分，因此有可能产生阿秒光脉冲。因此，本论文主要研究超短超强激光脉冲和自由电子的相互作用过程，分析电子的动力学过程和超高速电子辐射的特点。
　　1.论文对强激光场与自由电子互相作用的动力学理论以及电子辐射理论进行了介绍。论文分析了经典近似下的激光场与电子的作用模型，并介绍了相对论协变形式的电子辐射理论，给出了电子辐射的时间和空间分布的经典计算方法。
　　2.论文计算了脉冲宽度为15fs的不同强度的高斯光束与电子的互相作用过程，并研究了相应条件下的阿秒脉冲辐射。研究结果表明，当激光强度大于相对论强度时，电子主要以纵向运动为主，辐射主要集中于纵向。通常辐射的脉冲为阿秒脉冲链，但当激光强度较大如a0=10时，获得了脉冲宽度约为11as的单个阿秒脉冲输出。
　　3.论文研究了静电场与高斯光束组合的叠加场与自由电子的作用。首先计算了静电场方向与激光偏振方向一致时的情况。研究发现，静电场强度增加到5×10-4时，产生了脉冲宽度为16as的单个阿秒脉冲。静电场强度对脉冲链中的每个阿秒脉冲的宽度影响较小。增加静电场可以有效降低产生单个阿秒光脉冲的激光强度阈值。论文还计算了静电场与激光偏振方向垂直的情形，发现增加静电场强度并不能获得单个阿秒脉冲的输出。
　　4.论文对圆偏振高斯分布的涡旋光场与电子的互相作用进行了研究。研究结果表明，涡旋光束对电子有汇聚作用，初始分布于光斑中心附近的电子均产生了向光斑中心运动的速度分量。电子辐射的脉冲宽度仅有2as，且辐射分布的方向主要沿电子最后出射的方向。采用涡旋光束，降低了对激光强度的要求。
　　综上，本论文研究了普通高斯光场、高斯光场和电场叠加场以及涡旋高斯光场对自由电子的作用，分析了电子的辐射脉冲，采用叠加场和涡旋场均降低了产生单个阿秒光脉冲所需的激光强度，其中采用涡旋光场的方案更有效，所获得的阿秒脉冲宽度也更小。

目录

摘要

1．1 课题的研究背景和意义

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 课题研究的意义

1．2 强场中电子加速的发展及现状

1．3 本文研究的主要内容和结构安排

第二章 高强度激光场与电子互相作用理论模型

2．1 高强激光场

2．1．1 高斯激光场的方程描述

2．1．2 高斯光束的基本特性

2．2 电子与激光场相互作用模型

2．3 电子在激光场中的辐射理论研究

2．3．1 Lienard-Wiechert电场对于电子理论研究

2．3．2 加速电子辐射的总功率：拉莫尔公式及其相对论推广

2．3．3 加速电子的辐射角分布

2．3．4 加速电子的辐射的频谱分布

2．4 本章小结

第三章 高斯光束与自由电子相互作用中的阿秒脉冲产生

3．1 电子在高斯光束中运动的理论模型

3．1．1 电子与高斯光束的相互作用模型

3．1．2 电子在高斯光束中的动力学模型

3．1．3 电子在高斯光束中运动的分析

3．2 高斯光束中电子运动模拟计算阿秒脉冲的产生

3．3 本章小结

第四章 静电场和高斯光束叠加场与电子相互作用中阿秒脉冲的产生

4．1 叠加场与电子相互作用的理论模型

4．2 叠加y方向静电场时阿秒脉冲的产生

4．2．1 静电场强度的影响

4．2．2 对于单个阿秒脉冲的产生的原因分析

4．3 叠加z方向静电场时阿秒脉冲的产生

4．4 本章小结

第五章 涡旋光场与自由电子的相互作用中阿秒脉冲的产生

5．1 涡旋光场与电子作用的模型

5．2 电子在涡旋光场中的运动规律

5．3 涡旋场中电子的辐射场

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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