激光同步辐射在不同观测角度上的辐射特性研究

利用高能电子在强激光场中散射发出激光同步辐射,根据Lorentz方程与电子能量方程构建高能电子与强激光场的对撞模型,并通过MATLAB软件模拟高能电子在与强激光场对撞时电子运动的三维轨迹以及不同观测角度上同步辐射的脉宽和最大功率,进而分析不同观测角度对激光同步辐射特性的影响。模拟结果表明,观测角度由0°增大到360°期间,激光同步辐射的最大功率先减小后增大,而其脉宽先减小后增大,两者都于观测角为180°处左右呈现出一定程度的对称。且在0度或360度处获得的最大辐射功率取值最大,脉宽最小,能量最集中。     

脉宽对激光撞击电子辐射峰值影响的模拟计算

为了研究激光脉宽对撞击电子后产生的辐射能量分布, 采用模拟计算的方法, 以Lorentz方程以及电子辐射方程为基础, 建立了紧聚焦激光作用于静止单电子模型, 并通过MATLAB软件模拟了不同脉宽下的激光脉冲与电子作用后产生的电子辐射能量分布, 对飞秒紧聚焦椭圆偏振激光脉冲的脉宽与电子间的辐射功率峰值进行了深入研究。结果表明, 当紧聚焦激光脉冲遇到静止单电子, 在激光脉冲撞击电子时, 电子会发出辐射; 散射辐射在散射方向的中心呈尖锥状积累; 随着激光脉宽的增加, 辐射功率分布逐渐呈现出双峰形; 脉冲宽度越宽, 电子辐射功率峰值越小, 脉宽为10λ₀时的峰值功率仅为脉宽为0.1λ₀时峰值功率的1%(初始脉宽λ₀=3.33fs), 同时辐射功率达到峰值所需时间越长, 最高峰的持续时间越长, 频谱函数的截止频率越低, 高频分量变少, 谐波次数增加。该结果对激光空气等离子体诊断方面具有重要意义。     

激光脉冲初相位调制电子受激辐射后向对称性

为了研究线偏振超短超强激光脉冲中高能电子运动和辐射的后向对称性,基于经典非线性Thomson散射的框架,借助数值模拟软件绘制了电子轨迹、空间辐射能量的角分布和空间频率分布直方图。研究发现,当激光脉冲短至只有几个周期时,非线性Thomson散射受激光初始相位的影响十分显著,其能量空间分布和运动轨迹具有很强的相关性,并且相对于驱动激光的初始相位具有“三重对称”的特性。高次谐波频谱的截止可以达到1×10⁶ω₀,而频谱峰值的对称性则可为实际激光参数的选择提供可行的思路。研究表明,通过激光脉冲包络相位调制获得理想的非线性Thomson后向散射空间辐射角分布和高次谐波幅度峰值是可行的。     

电子初始位置对高能电子空间辐射的影响

为了探究高能电子辐射与其初始位置间的关系, 依据拉格朗日方程构建了单个高能电子与高斯激光脉冲相互作用发生散射的模型, 并采用数值模拟的方法通过MATLAB获得了电子运动轨迹及散射光的空间辐射特性, 具体分析讨论了电子初始位置对空间能量辐射的影响。结果表明, 初始状态静止的高能电子经与线偏振紧聚焦强激光相互作用, 其在平面内沿+z方向先做振荡运动, 然后沿直线行进; 最大辐射能量及其辐射方向均受到电子初始位置的较大影响, 前者随电子初始位置朝z轴正向移动出现极大值, 而后者在方位角恒定的同时极角逐渐减小并最终稳定; 全空间最大辐射能量在电子初始位置位于(0, 0, -7λ₀)(λ₀为激光波长)、极角和方位角分别为23.5°和180°时取得。此结果说明通过合理设置电子的初始位置可以获得强度尽可能大的辐射。     

初始位置对电子运动轨迹和空间角辐射的影响

为了探究在圆偏振激光脉冲中电子初始位置对其运动轨迹和空间角辐射的影响,根据非线性汤姆逊散射模型、能量方程以及拉格朗日方程推导出了高能电子的空间运动方程,并与MATLAB数值模拟的方法相结合,做出了高能电子空间运动轨迹图和空间角辐射模拟图。结果表明,电子在涡旋横向力的作用下在全空间运动的前部轨迹呈紧密分离螺旋状,而后部轨迹由空间间隔遥远的稀疏圆组成,随着电子初始位置的右移,空间角辐射达到最大值时,极角θ和方位角φ的值有不断减小的趋势,在z₀=5λ₀后趋于稳定,(θ,φ)=(23.5°,175.5°);激光脉冲中电子初始位置的改变对电子的运动轨迹和空间角辐射有较大影响。该结果为后续研究电子初始位置对高能电子辐射特性的影响奠定了基础。     

偏振参数对高能电子运动及辐射特性的影响

为了探究超强激光偏振参数的梯度变化对场内高能电子运动及辐射特性的影响, 首先以电磁学基本方程为基础, 推导并建立了初始动量为0的相对论性单电子加速模型, 其次编写无近似的数值模拟仿真程序进行迭代计算与理论分析, 取得了不同偏振参数的超强激光作用下单电子的运动以及空间辐射可视化数据。结果表明, 随着偏振参数δ由0到1逐渐增大, 电子的运动轨迹由2维平面振荡逐渐过渡为3维螺旋状前进, 绕旋幅度逐渐增大且轨迹投影逐渐趋向于正圆; 电子的功率辐射空间分布也从平面线性逐渐变为3维涡旋状, 由上下针状分叉逐渐变为平滑连接, 总体变化趋势可按形态划分为δ=0, δ∈(0, 0.6], δ∈(0.6, 0.99]以及δ=1共4个阶段。该结果为高能电子辐射研究提供了多视角的理论及数值依据, 对实际应用中精确探测超强激光各项参数是有帮助的。     

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。     

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。     

气体等离子体产生太赫兹波的特性研究

基于光电流模型,对不同偏振情况的双色飞秒激光脉冲聚焦产生的气体等离子体中辐射出的太赫兹波特性进行了研究。根据光电流理论,气体分子被电离释放出的自由电子在非对称的激光场的作用下运动形成电子电流,产生在太赫兹波段的辐射。研究结果表明,太赫兹辐射的偏振特性与强度和入射双色激光的偏振特性紧密相关,仅当双色脉冲均为线偏振时,辐射出的太赫兹波才为线偏振,且强度受到双色脉冲偏振方向的夹角的影响;而对于实验中经过倍频晶体后变成椭圆偏振的基频光,太赫兹强度与倍频晶体的具体放置情况有很大关系,并且产生的太赫兹为椭圆偏振。     

飞秒激光诱发的医用质子束特性的实验研究

为了探索飞秒脉冲激光与固体靶相互作用中医用质子束特性,在超短超强激光装置"SILEX-I"上进行了医用高能质子束特性实验研究.实验利用HD810辐射变色膜片(RCF)、CR39核径迹探测器和Thomson离子谱仪分别在固体靶背表面法线方向测量了质子束的空间分布、束密度、产额和能谱.实验结果表明:质子束沿着靶背法线方向发...     

强激光驱动的运动电场加速质子的研究

为了研究激光辐射压驱动的运动电场中加速质子的相关问题,对强激光与等离子体相互作用过程进行了理论分析,并采用2维粒子模拟方法,对理论分析结果进行了数值模拟验证。结果表明,当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时,在固体靶后部形成一个由电子层-离子层组成的双层结构,在激光辐射压的不断推进下,双层结构在背景等离子体里以一定速度传播形成一个运动电场;在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量,质子的最大能量达到20GeV。理论分析结果与2维粒子模拟结果符合得很好。     

Dynamic nuclear self-polarization of Ⅲ-Ⅴ semiconductors

Ⅲ-Ⅴ semiconductors exhibit dynamic nuclear self-polarization (DYNASP) owing to the contact hyperfine interaction (HFI) between optically excited conduction electrons and lattice nuclei.In the self-polarization process at a low temperature,electron spin state and the nuclear polarization (magnetization) exchange a positive feedback,increasing energy splitting of the conduction electron states,thereby a large nuclear polarization.This phenomenon was theoretically predicted previously for conduction electrons excited linearly and elliptically polarized light.The polarization of the conduction electrons was represented by a parameter α in a formula for nuclear polarization (Eq.(9) in Ref.[1]);however,the effect of external magnetic fields on the nuclear polarization was not considered.Therefore,this study introduces this effect by further extending the previous studies.Herein,α'represents the combination of the effects of elliptically polarized electrons and an external magnetic field,which is used in the equations presented in previous studies.When α'=0,a large nuclear polarization is obtained below critical temperature Tc,but no polarization occurs above Tc.When α'＞ 0,the nuclear polarization is enhanced above Tc.Below Tc,the nuclear polarization follows a hysteresis curve when α'is partially manipulated by adjusting the degree of the polarization of the exciting laser.     

Evolution of Electron Phase Orbits of Multi-photon Nonlinear Compton Scattering in High Power Laser-plasma

The evolution of the electron phase orbits based on the multi-photon nonlinear Compton scattering with the high power laser-plasma is discussed by using Kroll-Morton-Rosenbluth theory. The random evolution of the un-captured electron phase orbits from periodicity to non-periodicity is found after the energy has been exchanged between the electron and photons. With the increase of the absorbed photon number n by an electron,this evolution will be more and more intense, while which is rapidly decreased with the enhancement of the collision non-flexibility ξ and their initial speeds of the electrons and photons, but this evolution is lower than that in the high power laser field. When the electrons are captured by the laser field, the evolution is finished, and the electrons will stably transport, and the photons don‘t provide the energy for these electrons any more.     

自由电子激光器的位相条件

基于相对论电子在光场和静态磁场作用下的能量方程和洛仑兹方程,分析了自由电子激光器运转的位相条件。结果表明,入射光波相对于相对论电子束的初位相ψ在第1和第4象限,相对论电子的能量将主要表现为能量减低,初位相ψ在第2和第3象限主要表现为使相对论电子进一步被加速。     

Influence of Heat-radiating on Multi-photon Compton Scattering High-energy Electron

Using the model of the inverse Compton scattering between high-energy electrons and heatradiation photons, the influence of heat-radiating photons on multi-photon Compton scattering high-energy electrons is studied. The results show that the energy loss, power loss, light resistance and light pressure of the high-energy electron formed by heat radiating are all proportional to the temperature T^4 of the vacuum cavity of the electron,the Lorentz factor γ^2 of the high-energy electrons, the scattering section of the electron and the number of photons acting at the same time with high-energy electrons. A good method for lessening the energy loss of the high-energy electron by using the one-photon Compton scattering between high-energy electrons and heat radiation photons is proposed.