真空,气体及等离子体中的激光驱动电子加速

讨论了有关在真空、中性气体和等离子体中激光加速的若干重要问题。对与电子滑移、激光衍射、材料的破坏和电子的孔径效应有关的激光真空加速所肥到的各种限制进行了讨论。提出了反切仑科夫激光加速组态，在该组态中激光束在部分电离气体中是自导的。光学自导是中性气体的非线性自聚集特性和电离衍射效应之间平衡的结果。分析并讨论了自导光束的稳定性。此外，还论及激光尾迹场加速器的有关问题，并大略地讨论了激光驱动的加速器实验     

非对称激光等离子体尾场中被加速电子的模拟

为了研究在激光驱动的等离子体尾场中被加速电子的动力学,采用数值模拟方法得到了非对称脉冲驱动的尾波场中被加速的电子的运动相图、密度分布及势能。结果表明,非对称激光脉冲驱动尾场中电子得到很高的能量。在非对称激光脉冲驱动的激光尾场中,为了有效地加速电子,要选择恰当的上升激光脉冲长度和下降激光脉冲长度。     

激光尾波场电子加速及新型辐射源（特邀）

受益于超短超强激光技术的持续迅猛发展,飞秒强激光为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件,使激光物质相互作用进入到一个极端非线性的强场超快新范畴,催生了大量新原理、新现象,推动了技术变革。飞秒强激光驱动的等离子体尾波场加速原理是一种具有超高加速梯度的粒子加速新原理,该技术的加速梯度可达100 GV/m,相比于传统射频加速器提高了3个数量级以上,可在厘米量级的加速长度内获得GeV量级的高品质高能电子束,极大地降低了加速器的成本,为发展新一代粒子加速技术和新型超快辐射源提供了新机遇和新途径。从飞秒强激光驱动等离子体尾波场中的电子注入、能量啁啾控制和高品质电子束产生以及基于高品质电子束的betatron X射线辐射、高能伽马射线和小型化自由电子激光这几个方面介绍了激光等离子体尾波场电子加速的若干主要研究进展,并对未来进行了展望。     

激光脉冲初始相位对电子辐射的影响

为了研究超短超强椭圆偏振激光初始相位对于高能电子辐射特性的影响, 采用了Lorentz方程与电子能量方程构造高能电子与强激光场的对撞模型的方法, 并使用MATLAB进行数值模拟, 获得了电子的运动轨迹以及激光场空间辐射的功率与能量分布的数据与图像, 对不同的激光初始相位所对应的3维空间辐射特性进行了研究。结果表明, 当激光脉冲撞击电子时, 电子产生辐射, 且辐射功率呈现出双峰形; 高能电子的辐射功率图像在初始相位为0°, 180°和360°时表现为对称型双峰, 而在其它相位下则呈现出非对称型双峰。该结论为超短超强椭圆偏振激光的初始相位3维反探测研究提供了一定的基础。     

线电流摇摆场自由电子激光

根据经典辐射理论计算出电子在线电流摇摆场中运动产生的自发辐射强度分布；利用单粒子理论推导了自发辐射与受激辐射的关系；利用这种关系求出了电子在线电流摇摆场中运动产生自由电子激光的小信号增益。     

激光尾场中被加速电子的动能研究

为了研究在激光驱动的尾场中被加速电子的动能,采用粒子模拟方法,得到了决定电子最大动能的尾场势的最大值和最小值,讨论了等离子体尾波静电势的最大值和最小值及其与激光脉冲长度和强度之间的关系。结果表明,捕获电子最大能量与脉冲激光强度成正比,激光脉冲长度是激光波长的10倍时电子获得的能量最大。     

不同等离子体密度绝热减稀模式加速电子

就密度减稀等离子体中激光驱动尾场加速电子方案,尝试不同的等离子体密度减稀模式进行模拟计算,考察不同的密度减稀模式对电子加速的影响.模拟结果表明密度减稀尾场加速机制的存在和优越性,也表明适当设计密度减稀尾场加速电子方案可以得到能量高、电荷量大、能散度低的高品质电子束;模拟结果也说明密度减稀尾场加速电子机制的充分发挥并不要求很高的激光强度,方便从实验上进行验证.     

强激光超短脉冲对电子直接加速

论证了激光加速带电粒子的新机制。与锐聚焦配合使用强激光超短脉冲时,加速度由光压力和具有同一方向的电场纵向分量决定。表明,(现时的)一定参数的激光可将电子加速到ε-1GeV,可与“巨大”加速器达到的能量相比。在这种情况下(与文献讨论方案不同),加速对场的初始相位不敏感,可加速低速电子,并解决加速电子由场内引出的问题。     

空间辐射环境对激光光源阈值电流特性的影响

激光光源是卫星光通信系统中重要的终端部件,其工作性能最终影响和制约着通信系统的稳定性和可靠性。对空间辐射环境下GaAs,InP激光有源材料的阈值电流密度变化进行了深入的理论研究。数值计算结果表明阈值电流密度的变化与辐射粒子注量呈线性关系,InP激光光源较GaAs激光光源具有更优越的空间抗辐射性能。进一步将理想大气条件下辐射对激光光源的影响拓展到真空环境,结果表明真空环境对辐射造成的影响有一定的加剧破坏作用,但是并不明显,真空环境对激光光源的影响作用主要表现为中心波长漂移。     

苏联研究电子回旋加速器驱动的自由电子激光器

苏联新西伯利亚的科学家正在进行同步加速辐射研究。他们采用四台同步加速器，输出能量在450兆电子伏到6千兆电子伏之间。此外，他们还设想用经特殊设计的谐振腔获得相干同步加速辐射。美国也宣布在国家标准局建造类似的电子回旋加速器驱动的自由电子激光设施的计划。     

激光功率密度对自生磁场和电子热传导的影响

为了理解超强激光与等离子体相互作用中产生的自生磁场形成机制和电子热传导特性,采用相对论电磁粒子模拟程序,估算了不同激光功率密度下,在等离子体表面所形成的电磁不稳定性产生的自生磁场大小和空间分布,得到了超热电子和经典Spitzer-Harm理论描述的电子热流随激光功率密度的演化情形.结果表明,非Maxwell速度分布的等离子体,由于电子初始时刻的无规则热运动,在等离子体上激发电磁不稳定性,而不稳定性激发的强电磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量,同时对在激光有质动力推开电子时形成的超热电子能量输运产生抑制作用.这一研究结果对更好理解惯性约束核聚变快点火过程中自生磁场的产生、电子热传导等方面有帮助的.     

Free-electron interactions with light using the inverse Cerenkov effect

An analysis and experimental verification of momentum modulation of relativistic electrons by laser light using the inverse Cerenkov effect is presented. As an alternative to the free-electron laser for achieving energy exchange between particles and photons, the inverse Cerenkov effect uses the index of refraction of a gaseous medium to retard the phase velocity of an electromagnetic wave, enabling the electrons to remain in a field of constant phase. The momentum modulation converts to charge-density modulation by allowing the electrons to drift, thus forming electron bunches separated by optical wavelengths. An analysis is presented for the maximum amount of energy exchange, the energy exchange distribution, and the optimum bunching distance. A computer simulation of the interaction process is also given. These results are compared with the observed momentum modulation of a 102 MeV electron beam by a 30 MW Nd:YAG 1.06 μm laser in both hydrogen and methane gases. Initial observation of coherent optical radiation from a 57 MeV electron beam using the same laser system is also presented. Laser-driven particle accelerators and optical klystrons are possible applications of this interaction.     

百年电子学--纪念真空电子管发明一百周年

电子学的崛起、发展和广泛应用是20世纪最伟大的科学技术领域之一.在电磁波理论和自由电子发展的基础上,1904年出现了第一只真空二极电子管,一般认为这标志着电子学的诞生.电磁波频谱资源的开发和利用是电子学发展的基础和动力.从电磁频谱统一的观点看,光已经象微波一样进入到电子学的领域,成为无线电电子学中不可分割的组成部分.电子学的基本任务是:研究带电粒子流与电磁场相互作用的物理概念和物理过程,以及利用相互作用的不同物理机制实现粒子与场之间能量有效转化的方法和条件.从电子器件的观点看,电子学可分为真空电子学与固态电子学;而从电子运动规律的观点看,现代电子学将处理自由电子,准自由电子和束缚电子的运动规律及其与电磁场的相互作用.1958年,电子学领域出现三个重要发现和发明:集成电路、激光和相对论自由电子的回旋辐射.相应的,半导体电子学(微电子学)、激光电子学和相对论电子学等现代电子学领域则发端于此.电子器件小型化、微型化、功能集成化将电磁频谱的开拓和占领推向光波和红外毫米波.     

Energy distribution of IR-induced electron emission from metal island films

Measurements of the energy distribution of electrons emitted from island metal films under the infra-red laser irradiation show that the electrons have been emitted from a level near the vacuum level. It is deduced that the observed electron emission is caused by electron gas heating. For the vacuum level determination the measurement of secondary electron emission spectra is used.     

Statistical approach to theory of electron-avalanche ionization in solids

The development of the electron avalanche induced in solid transparent dielectrics by an electromagnetic field where the deterrent lack of seed electrons can be critical is analyzed. Expressions for the breakdown probability as a function of the laser radiation intensity, the focal spot size, and the concentration of defects are obtained.     

Efficiency enhancement in a Cherenkov laser loaded with a Kerr-likemedium

Efficiency enhancement in energy conversion for a Cherenkov free elctron laser loaded with a Kerr-like medium is discussed with the aid of particle simulation. For the analysis of the problem, a two-dimensional model for the Cherenkov free electron laser is considered which is composed of a planar relativistic electron beam and a parallel plate waveguide one plate of which is loaded with a nonlinear dielectric sheet exhibiting a Kerr-like effect. To follow the growth of an electromagnetic wave and the decrease in the kinetic energy of the electron beam in the specified model of the Cherenkov free electron laser, a particular segment of the electron beam with the longitudinal length of one guide wavelength is picked out. In that segment, as it travels down the waveguide, the interaction between the electromagnetic wave and a group of electrons is analyzed with the use of the finite-difference time-domain (FDTD) method. The result of numerical simulation shows that the efficiency of energy transfer from the electron beam to the electromagnetic wave is greatly enhanced by the proper choice of the nonlinear parameter for a Kerr-like medium. The enhanced efficiency is due to the improved velocity matching between the electron beam and the electromagnetic wave, and to the self-focusing effect of a Kerr-like medium     

加入支撑墙的FED的电场分布及电子轨迹数值模拟

ＦＥＤ内部真空中的电场和电子运动受到支撑结构的影响,为此采用了有限元法计算带有介质支撑墙的ＦＥＤ电场分布;采用龙格－库塔法计算该空间电子轨迹。并且在考虑了介质支撑墙上的二次电子发射之后。定性的分析了空间电场电子轨迹及墙上的电荷积累情况。得出了支撑墙对ＦＥＡ电子轨迹影响的数值结果,对器件的设计提出了建议。     

强场物理中超热电子的产生及输运

在100TW超短脉冲钛宝石激光装置上完成了飞秒激光-固体靶相互作用中超热电子的产生及输运特性的实验研究。获得了超热电子的能谱、产额、注量和总能量。结果表明,随着功率密度的增加,靶前法线方向的超热电子更容易产生;超热电子的注量和总能量随靶厚度的增加而减少。超热电子约80%的能量主要沉积在靶内的前10μm,分析表明,这主要是静电场的影响所致。     

From Quantum to Classical Effects in Interactions Between Electrons and Very Intense Laser Beams

We prove that the Schrodinger equation, written for a closed system composed of an electron and electromagnetic field, has a solution at the classical limit if the dipole approximation is fulfilled and the magnetic potential vector enters in classical form in the Schrodinger equation. Though the above property is valid generally in the case of laser beams, its potential importance is increased for the domain of the very high intensities of the electrical field, where it is in agreement with a lot of recent classical models and experimental results from literature. This result leads to a simplified computational model for the interaction between electrons and laser beams.