复合激光场与等离子体相互作用的理论与数值模拟研究

摘要

由于与粒子加速、新型辐射源以及激光脉冲的整形和控制等应用有关,对复合激光场与物质的相互作用研究具有重要意义。本文研究了线极化相对论激光驻波场中的电子运动,分析了偏振面内入射的电子在激光驻波场中的散射与电子初始位置、能量以及激光强度的关系;利用一维粒子模拟程序研究了超相对论强度激光(光强超过22210Wcm)与高密度靶作用中含时偏振方法产生的单个阿秒脉冲并进行了优化。 我们研究了电子和线极化激光驻波场的相互作用,采用相对论Lorentz方程,讨论了相对论电子从不同方向入射,在激光驻波场中的运动轨迹,能量变化和加速,结果表明,电子在驻波场中的散射情况与电子对激光的相对能量00?/a密切相关。对于同样的激光强度,电子初始能量存在一个能够发生前向或背向散射的临界值。光强越大,电子发生前向散射的初始能量临界值越大。用电子相对能量来衡量,这个临界值大约在1.0-1.25范围内。当相对能量超过该值,电子运动会从背向变为前向散射。电子在驻波场中的振荡中心和有质动力逆转效应的存在也是有条件的,二者只有电子相对能量00?/a在一定取值范围内才可能存在。相对能量越小,电子能发生前向散射的入射驻波面越小,而低能电子更倾向于从波节透过。在偏振面内入射的电子在高强度驻波场中会发生非弹性散射,电子与场会发生高能量交换。 我们采用一维粒子模拟方法对超相对论强度激光与高密度靶作用中利用含时偏振方法产生的单个阿秒脉冲进行了研究。由于电子离子质量的差别,使得电子对激光的反应比离子快很多,在模拟中我们可以暂时忽略低速离子运动,只考虑电子运动。同步提高驱动脉冲和控制脉冲的振幅,可以看到阿秒脉冲的转换比率有增大的趋势,这是因为相应靶密度的提高使得振荡电子束的数密度大幅提高,从而使得阿秒脉冲的转换比率比相对论光强激光作用下的情况显著增大。在超相对论条件下,离子运动的影响变得重要,离子运动破坏了等离子体表面电子的稳定规则振荡,从而影响到阿秒脉冲的转化比率。我们比较了不同靶材料对阿秒脉冲产生的影响,重靶材料能够得到转化比率更高的阿秒脉冲。当激光脉冲强度相对稠密等离子体靶密度太大时,激光直接穿过等离子体靶,靶面振荡模型被破坏,并不能得到单个阿秒脉冲。 论文共分为五章。第一章为绪论,简单介绍了激光等离子体相互作用物理,高次谐波和阿秒脉冲的研究进展和复合激光场与物质作用等;第二章介绍了高次谐波产生的理论模型;第三章对电子在线极化相对论强度驻波场中的散射进行了研究;第四章,利用一维粒子模拟程序研究了超相对论强度激光(光强超过22210Wcm)与高密度靶作用中含时偏振方法产生的单个阿秒脉冲并进行了优化。第五章进行了总结与展望。

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第一章 绪 论

1.1 激光等离子体相互作用物理

1.2高次谐波和阿秒脉冲的研究进展

1.3复合激光场与物质作用

1.4小结

第二章 高次谐波产生的理论模型

2.1激光与原子分子相互作用的理论模型

2.2激光与等离子体相互作用的理论模型

第三章 电子在线极化相对论强度驻波场中的散射研究

3.1引言

3.2理论方法

3.3结果讨论

3.4结论

第四章 超相对论强度激光和高密度靶作用中含时偏振方法产生单个阿秒脉冲的研究

4.1引言

4.2含时偏振方法的理论模型

4.3数值模拟结果和讨论

4.4结论

第五章 总结与展望

5.1总结以及创新点

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢