论文部分内容阅读
本文提出了一种激光脉冲相位调制的方式并研究了经此方式进行相位调制后的激光脉冲对电子的加速问题。基于单粒子模型的数值计算和简化模型的解析研究以及PIC模拟表明,调制后的激光脉冲可以有效的对电子进行加速,电子的能量增益可以达到1-2个数量级以上的提高。我们提出的相位调制方式沿激光的横向进行,每隔△r改变△φ,其梯度由参数s表征,调制后激光由具有相位差的子光束组成。当电子在激光脉冲的作用下震荡时,电子横向运动的位移将会产生附加的相位,其效果等效于电子在运动轨道上感受到低于光速的相速度从而缓解相滑移现象,电子可以多次位于加速相位中而获得很高的能量。电子在横向运动感受到的激光场的相速度可以由参数s进行调整,s越小,对应的相速度越大,理论上电子可以加速到更大的能量,但是基于简化模型解析求得的电子横向动量指出,这种情况下电子必须具有较高的初始能量才能实现,即存在初始的能量阈值,s越小,初始能量阈值越高,反之则越低。同一个s对应的电子横向动量还存在另一个解,适合初始能量较低的电子进行加速,但是能量上限较低,其值随s的增大在一定区间也相应增大。两个解各自具有相应的能量区间,当s小于临界值s。时,两个能量区间没有重合,初始能量较低的电子不能实现高能量的加速;随s的增大,两个解对应的能量区间逐渐靠近,当s>s。时,两个能量区间可以出现重合,初始能量较低的电子可以在两个解描述的情况下运动因此获得较高的能量。在满足s>s。的情况下s取值越小,理论上可以获得的能量也越高,不过此时对电子的初始相位要求也高,只有在特定狭窄相位窗口中的电子才能获得较好的加速,这样将只能加速少量的电子。我们解析的分析了s和电子初始相位的关系,认为适当的增加s的值虽然减小了电子最大可能获得的能量,但是却增大了粒子初始相位的窗口,更多的电子可以参与加速,因此可以获得较高的平均加速效果,因此存在合适的优化的调制参数。基于单粒子模型的数值计算证实了这个结果。单粒子模型中,调制后的子光束采用了几何光学的处理方法,因此没有考虑各个子光束之间的衍射和叠加,我们的激光场模型适合电子和脉冲近距离的作用,一旦作用距离增大,调制后各子光束的衍射以及干涉效应不能忽略。为了弥补单粒子模型的不足,我们编写了二维的PIC模拟程序,采用了较为先进的算法,可以模拟调制激光在空间的真实传播,包含了衍射以及干涉的效应。我们利用PIC模拟程序对调制激光脉冲加速电子的过程进行了模拟,结果确实发现电子可以获得非常明显的加速,平均能量基本上达到一个数量级的提高,部分初始条件较好的粒子可以获得相对无调制情况下两个数量级左右的能量提高,在加速现象上和前面的解析分析以及单粒子模型的数值计算结果是相符的。我们将调制方法应用于圆偏振激光并研究了其对电子的加速。通过解析分析和数值计算,我们发现圆偏振激光脉冲情况下,在相位调制方向上的加速方式和线偏振类似,但是在与调制方向正交的方向上,还存在另外一种加速机制,这种机制源于相位调制引起的对称性破缺从而引起激光加速电子一个周期后电子具有能量的剩余,并且该过程可以重复和累积。该机制的另外一个优点是对电子的初始相位具有较好的适应性。基于vorpal的pic模拟表明,在加速的前期获得加速的粒子数量比线偏振要高出不少,电子的总能量相比线偏振激光脉冲成倍增加,和调制正交方向上的加速是电子能量提高的重要因素。