緊聚焦的超短超強激光脈沖在真空中加速斜入射的

1、緊聚焦的超短超強激光脈沖在真空中加速斜入射的    緊聚焦的超短超強激光脈沖在真空中加速斜入射的相對論 >:9+8,-$, 8,(,=*AB*5C*D,"%-"$"%-:EFG,;EHI,=84,數(shù),例如,入射電子的初能量,斜入射角和激光脈沖寬度等,我們將研究這些物理量與電子加速的關系!"#電子加速模型和基本方程聚焦線偏振高斯脈沖激定的條件下,我們認為發(fā)生俘獲加速效應的入射電子初能量的條件為&"6!#67#!在這個范圍內(nèi),入射電子可以從激光脈沖獲得234量級的能量,因此為了獲得最佳的加速效果

2、,入射電子初能量的范圍是&"6!#67#,這是這一加速模型的一大優(yōu)點,即它不需要初能量很高的入射電子!圖8電子最佳能量增益與電子初始入射角的關系(激光脈沖和入射電子的參數(shù)同圖")電子的初始入射角不同,電子獲得的最佳能量增益也不同!圖8描述了電子最佳能量增益!./0與電子初始入射角#'之間的關系!圖中使用的參數(shù)同圖",從圖中可以明顯看出,隨著初始入射角的增加,電子最佳能量增益逐漸減小,當#'1#(&%9/:時,電子將不能得到有效地加速!激光束的發(fā)散角#:$"#$#(#%9/:,若電子開始位于激光束的焦斑以外,則其入射角應當大

3、于#(#%9/:!從圖中可以看出,當電子的入射角與激光束的發(fā)散角差不多時,電子獲得的能量增益較大!圖%描述了在"#$%#,#$"#",$&#",!#$&%和#'$#(&9/:條件下,入射電子獲得最佳能量增益時電子的運動狀態(tài)!圖%(/)是電子的運動軌跡,從圖中可以清楚地看到電子一直在激光脈沖傳輸軸附近運動!圖%(<)描述了電子能量增益的變化,從圖中可以看出入射電子被激光脈沖劇烈加速,能量增益最終達到&(%234!圖%(=)描述了電子縱向速度%&隨其縱向位置的變化!從圖中可以看出,電子的縱向速度%&

4、;開始先慢慢增加而后迅速減小到最小值,隨后迅速增長達到接近光速的穩(wěn)定值!圖%(:)描述了電子橫向速度%'隨其縱向位置的變化!從圖中可以看出,電子的橫向速度%'先慢慢減小然#&"8物理學報%8卷后迅速增加到最大值,隨后逐漸減小到接近零的穩(wěn)定值!圖"(#)!$"平面內(nèi)電子的軌跡!(%)電子能量增益與其縱向位置的關系圖!(&),(')是電子縱向速度#",橫向速度#!與其縱向位置的關系圖(#)中實線表示聚焦激光脈沖的空間輪廓!所有電子的初條件和激光脈沖參數(shù)同圖(,注意(#),(%)和(&),(')橫坐標尺度

5、不同)我們認為被劇烈加速的電子主要是通過激光脈沖的縱向有質(zhì)動力進行加速,下面從能量交換的角度來闡述縱向有質(zhì)動力的加速機理,真空中激光脈沖加速存在兩種機理,第一種是縱向電場加速,即通過縱向力)$%"加速電子,在我們的研究條件下存在這種縱向作用能量交換,但能量交換很小,最大值大約占能量增益的*+,;第二種也是最主要的機理是縱向有質(zhì)動力加速,激光脈沖的縱向有質(zhì)動力在焦點平面附近迅速達到最大值,而后當&-."/時減小到零,在這一過程中縱向有質(zhì)動力一直大于零(0,電子被加速后很快向前運動離開焦點附近區(qū)域,由于激光脈沖束腰半徑變大,光強減弱,徑向的光場分布越來越接近于平面波,徑

6、向的有質(zhì)動力比較小,因此電子一直在靠近激光傳播軸的區(qū)域運動(圖"(#)!同時由于此時電子的速度是非常接近光速的(圖"(&),在電子與激光脈沖同時向前傳播的過程中,將導致入射電子和激光脈沖之間位相滑移很慢,因此入射電子可以停留在激光脈沖中很長時間,當脈沖上升沿越過電子,脈沖下降沿開始減速電子時,電子和激光脈沖都早已遠離焦點,聚焦激光脈沖早已擴散其強度迅速減弱,因此脈沖下降沿對電子的減速作用可以忽略不計!圖.描述了電子最佳能量增益!1#2與激光脈寬'之間的關系!圖中使用的參數(shù)同圖(,從圖中可以看出,電子最佳能量增益!1#2隨著激光脈寬的增加而增加,當'3

7、("時,!1#23(4"+,當'3*+"時,!1#2達到(5(+,而當'-*+"時,激光脈寬對電子最佳能量增益!1#2的影響很小,這是因為當電子獲得最佳能量增益時,電子僅與激光脈沖中心的幾個振蕩相互作用!圖.電子最佳能量增益與激光脈寬之間的關系(激光脈沖和入射電子的參數(shù)同圖()67結(jié)論本文詳細討論了緊聚焦超短超強激光脈沖俘獲加速斜入射的低能相對論電子效應發(fā)生的條件,發(fā)現(xiàn)被俘獲的電子沿著激光傳播軸附近被激光脈沖俘獲并劇烈加速,能量增益達到89:的量級,同時給出了特定條件下發(fā)生俘獲加速所需的入射電子的初能量范圍!從數(shù)值分析計算可知,俘獲加速的

8、電子能量增益和入射電子激光脈沖之間的相對延遲時間是一周期函數(shù)關系,這同時也反映了電子能量增益和激光脈沖初位相的函數(shù)關系,發(fā)現(xiàn)當電子的入射角與激光束的發(fā)散角差不多時,電子獲得的能量增益較大,同時發(fā)現(xiàn)當激光脈寬超過*+"時,脈寬對電子的能量增益影響不大,這具有非常重要的實驗價值!*(65期田友偉等:緊聚焦的超短超強激光脈沖在真空中加速斜入射的相對論電子!"#$%&',"#()(*+,(',-+./$+01!"#$!222%&"3'!""3!"!4567/+89#+-",

9、0$,:(1;,1,:/(4 #%&7,1/AB#&',1,:/(P/(*HQ,7,O,K#(*N!"#$!222()*+3-!.3=&'>D> CN.T&,19#(*O/(GQ.RR!22C()*+3($#+,#+$C6I27#K,O.P,N."Q!"#$655 ()*+3-!.3=&(5I4D5>!57#K,O.P,N."Q,O./(Q,N).HS655D/0"#()*+31233$)!4I()(19)(#E#)何峰,余瑋,陸培祥,袁孝,劉晶儒655D物理學報$)!4

10、I!6Q.7,19/(*PP,O)(O,R9.,70655D/0"#()*+31233$)C!C()(19)(#E#)徐涵,常文蔚,銀燕,卓紅斌655D物理學報$)C!C! P/(*HQ,7,O,(*T!"#$!22C()*+3-!.3=$(4I>I!DR9.NH,7,O,P/(*HQ/(GK#(*N!22243()*+30)!2 2!I,(*T,7,O,P/(*HQ!"#$6555()*+3-!.3=&%!2C!419#(*O/(GQ.RR!222/&&$3()*+3'!""3#"6!4!>

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