相对论强激光等离子体产生的超快辐射研究

摘要

超短相干极紫外和软X射线范围内的超快辐射由于其短脉宽和短波长可能带来的高时空分辨特性，在超快科学、医疗、生物等基础研究和高新技术领域有广阔的应用前景。在过去的近二十年中随着超短强激光技术的发展，由这种强激光驱动产生的超快高频辐射得到了广泛而深入的研究。超短强激光脉冲与等离子体相互作用可以通过不同机制产生超快高频电磁辐射。目前，基于强激光等离子体及其产生的高能电子束的高频电磁辐射脉冲产生机制主要包括高次谐波、Betatron辐射、同步辐射、汤姆逊散射、以及基于电子束与固体靶作用的轫致辐射、Kα线辐射等。其中基于Betatron辐射、同步辐射、汤姆逊散射可以产生方向性极好的小型化紧凑型X和伽马射线，但通常难以产生相干的X射线辐射。
　　本论文对不同的等离子体状态（气体和固体），围绕超强激光与等离子体作用产生超快高频电磁辐射的若干机制及其相关的热电子产生等过程开展了理论和数值模拟研究。
　　本文在第二章详细介绍了基于等离子体中激光尾波场激发的电子飞镜产生理论。早期文献提出的电子飞镜依赖于气体等离子体中产生的接近波破的激光尾波，因此尾场中超薄高密度电子层接近激光群速度沿着激光方向传播。通过将另一束探测脉冲与电子层相向运动发生背散射，将得到时域压缩频率增加的超短高频脉冲。这种方法面对的主要挑战是等离子体温度效应，这将极大地限制波破强度和飞镜品质。我们提出在具有密度上升沿的等离子体中激发尾场来产生稳定的飞镜，这种方法很好地抑制了热效应对飞镜品质的影响。沿着密度上升沿，由于在不均匀等离子体中尾场演化的特点，由电子热温度引起的电子飞镜失效现象被消除，可以获得稳定的相对论电子飞镜。
　　第三章我们首先概述了激光和相对论电子飞镜发生背散射的主要特征。接着我们使用一维（1D）和二维（2D）particle-in-cell（PIC）程序来模拟电子飞镜与激光的相干背散射。模拟结果在较大的激光-等离子体参数区间内有效，证明了这种方法的稳定性和可控性。与均匀等离子体中产生的电子飞镜相比，这种方法产生超短辐射脉冲具有单色、相干、频率高、在时间和空间都持续稳定的优点。
　　另一种产生超快相干的高频辐射的方法是利用强激光在固体等离子体表面产生的高次谐波（HHG）。在激光有质动力作用下，表面电子束将作为高密度飞镜以相对论速度振荡，并同时反射驱动脉冲，形成高次谐波。在第四章中，我们首先介绍了相对论振荡镜（ROM）模型，然后使用二维PIC程序模拟了激光和平面靶、光栅靶的相互作用产生的高次谐波。特别研究了光栅的周期性结构对产生的高次谐波特性的影响。激光与光栅靶产生的高次谐波遵循ROM模型中的选择定则。在光栅常数为d=0.5λL时，光栅周期与激光周期相同，反射脉冲出现了偶次谐波。高次谐波的相对强度随着光栅周期的增加而减弱。由于光栅靶的周期性结构改变了激光在固体靶表面激发的周期性电子振荡的结构，光栅靶产生的高次谐波具有一些精细结构。另一方面，超强激光与固体靶作用可以产生100MG量级的强磁场。这种强磁场对高次谐波产生的效应至今还没有获得充分的研究。我们首先建立了磁场中的ROM模型，通过解析推导得到了磁场中的选择定则，并与PIC模拟结果进行了对比。研究表明，横向磁场中电子的回旋运动改变了固体靶表面的电子振荡，使正入射的激光产生了偶次谐波。我们还讨论了预等离子体长度、磁场强度、激光条件等参数对耦合效率和偶次谐波的影响。对于不同方向的磁场（平行或垂直于驱动光的偏振方向），偶次谐波强度对参数的依赖关系也不尽相同。在平行于激光电场方向的磁场中产生的二次谐波的谱强度在很大范围内（<160MG）正比于磁场强度。在一定范围内，由磁场产生的二次谐波强度随着预等离子体长度的增加而增强。这些依赖关系将可能用来测量自生磁场和预等离子体的标尺长度。激光与等离子体相互作用会在临界密度面附近产生自生磁场，其磁场强度甚至高达100MG以上。在短脉冲作用下，靶面由于激光预脉冲造成的预加热，同样会产生很强的磁场，主要为横向分布。我们介绍了激光和固体靶作用产生磁场的机制，并采用多维PIC模拟研究了可能由预加热效应引起的自生磁场。
　　强激光与固体靶作用不仅可以直接产生高次谐波，同时也产生大量高能电子并诱导出很强的准静态电磁场。当高能电子束在准静态的电磁场中运动时，可以通过类似Betatron辐射的机制，产生定向X射线辐射。其中大量定向高能电子束的产生对X射线产生起关键作用。在第五章中，我们主要研究了超强激光与固体靶相互作用产生热电子的过程及其产生的辐射，特别讨论了激光与一种锥形靶作用产生的高能电子。研究结果表明，强激光与锥形靶作用可以产生方向性好的高能电子。较小的锥靶开口角度和较长的预等离子体尺度会增加有质动力的作用，有助于产生更多的高能电子。这为产生超快X射线源提供了一种新的方案。

目录

第一章 绪论

1.1 等离子体

1.2 超短脉冲激光与等离子体相互作用

1.3 高频辐射的应用

1.4 高频辐射的产生—汤姆逊散射和Betatron辐射

1.5 高频辐射的产生—高次谐波

1.6 PIC模拟

1.7 论文选题依据和结构安排

第二章 激光与气体靶产生阿秒电子束

2.1 引言

2.2 激光与气体靶的作用

2.3 激光与非均匀气体靶产生阿秒电子束的研究

2.4 总结

第三章 基于阿秒电子束的相干汤姆逊背散射

3.1 引言

3.2 电子飞镜原型与相干背散射

3.3 非均匀气体靶产生的阿秒电子层作为飞镜的研究

3.4 总结

第四章 激光和固体靶产生的高次谐波

4.1 引言

4.2 激光与平面固体靶作用产生高次谐波的振荡镜模型

4.3 激光与光栅靶作用产生高次谐波的研究

4.4 外加横向静磁场中产生的高次谐波

4.5 激光与等离子体作用中产生的准静态磁场

4.6 泵浦–探测模型测量磁场强度

4.7 总结

第五章 强激光和固体靶作用产生高能电子束及其应用

5.1 引言

5.2 激光与锥形靶作用产生高能电子束

5.3 激光和锥形靶参数对产生高能电子束的影响

5.4 基于强激光与锥形靶作用的X射线辐射产生

5.5 总结

第六章 全文总结

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

声明