多模组合的TEM（1，0）+TEM（0，1）型激光场中电子俘获加速的研究

摘要

随着强激光技术的飞速发展，利用激光的超强电磁场加速带电粒子，并据此发展新一代小型化高能电子加速器的相关研究受到了人们的普遍关注。我们课题组在对强激光中电子动力学的研究基础上提出了一种新型的真空激光加速电子机制——俘获加速机制(CAS：Capture and Acceleration Scenario)。CAS的物理原理是：真空中传播的聚焦激光场中存在光场相速度小于真空光速的区域，其与强的纵向电场的重叠区形成了一个天然的加速通道。相对论电子以一定条件入射到这个通道中，电子有可能感受到很小的相滑移，并保持在加速相中持续地被纵向电场同步加速，获得很高的能量。以前我们组的研究主要是基于高斯型TEM(0，0)模激光场展开的。由于TEM(0，0)模激光场的有质动力势横向分布是高斯型的，其峰值位置处于光束中心，从而导致了电子的横向散射问题。为了解决这个问题，本文探讨高阶模式的激光场，重点是TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光场。TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光场对应的有质动力势径向分布呈环状山谷型，其峰值位于0.707w(z)处，其中w(z)为激光光束的腰宽。这样电子在中心区域所受的横向有质动力指向光轴，因此可以被很好的约束在光场中央区域。与此同时，光场的纵向电场力可以对电子进行猛烈的加速。基于TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光的有质动力加速机制，已有人从理论上探讨过。而本文则致力于将其用于电子俘获加速机制，探讨在此激光场实现CAS加速的可行性及其特征。 本论文首先研究了TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光场的相速度分布，发现在沿x方向极化的TEM(1，0)模激光与亦沿x方向极化的相位差π/2的TEM(0，1)模激光相叠加(频率相同)所构成的TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光在光场中心区存在相速度小于真空光速的区域，这一区域同时存在强的纵向电场，形成加速通道，从而使电子有可能在被径向约束的同时实现俘获加速。 通过三维的数值模拟计算，我们探讨了将电子入射到这一低相速度区并实现同步俘获加速的条件。发现如果相对论电子束以一个小角度入射到激光场中，较容易实现CAS俘获加速。同时较之传统的TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光的有质动力加速机制，上述方案有一系列的优点。 通过计算，我们还发现由于TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光场径向力对电子的约束作用，可以使出射电子具有较小的出射角和空间弥散度；本文还指出由于TEM(1，0)+T'EM(0，1)模激光场特殊的低相速度区分布，电子在运动过程中有可能经过两个低相速度区，经历两次加速过程。此外我们还分析了实现TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光场中电子俘获加速所需的物理条件，这对将来的实验工作有指导意义。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要物理量单位说明

声明

第一章引言

一激光技术的发展

二激光加速技术的发展

三真空激光的同步加速

第二章厄米—高斯TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光的光场特性

2.1 TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光的电磁场方程

2.2厄米—高斯TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光的光场特性

2.3小结

第三章TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光的相速度分布

3.1有质动力力加速机制与CAS机制

3.2不同模式的高斯光束的相速度分布

3.3 TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光的相速度分布的讨论

3.4小结

第四章TEM(1，0)+TEM(0，1)模激光俘获加速电子的模拟计算

4.1电子动力学讨论

4.2电子入射与出射参数

4.3电子横向散射问题

4.4小结

第五章总结

参考文献

在学期间发表论文列表

致谢