【摘要】：激光的發(fā)明為科學(xué)技術(shù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的研究工具。強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用時(shí),物質(zhì)中的分子和原子將發(fā)生電離,整個(gè)物質(zhì)形態(tài)呈現(xiàn)出等離子體狀態(tài),激光等離子體物理應(yīng)運(yùn)而生。近年來(lái),隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展,激光等離子體領(lǐng)域涉及了慣性約束聚變、高次諧波輻射、電子離子加速等多個(gè)研究方向,其應(yīng)用前景涉及了能源、醫(yī)療、加速器和診斷探測(cè)等。激光等離子體中物理過(guò)程的豐富多樣性以及其應(yīng)用前景的廣泛性,使得越來(lái)越多科研工作者投入到該領(lǐng)域的工作中來(lái)。當(dāng)激光的功率小于PW,聚焦功率密度小于10~(22)W/cm~2時(shí),激光與靶作用主要涉及到經(jīng)典多體問(wèn)題、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和電離理論。隨著10PW激光器的建造和應(yīng)用,量子場(chǎng)論也將進(jìn)入激光等離子體領(lǐng)域。量子電動(dòng)力學(xué)(QED)理論描述了電磁相互作用,是量子場(chǎng)論中最成熟的理論,也是目前最為精確的理論之一。量子電動(dòng)力學(xué)的引入可以為激光等離子體領(lǐng)域解決輻射阻尼問(wèn)題和新粒子的產(chǎn)生問(wèn)題。本文利用經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)相結(jié)合的粒子模擬程序(PIC)研究了超強(qiáng)激光和固體靶相互作用中正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生過(guò)程,主要內(nèi)容分為以下三個(gè)方面:1.研究了單束10PW激光和高密度固體靶相互作用中正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生,以及影響正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生的因素。首先,我們利用不同脈寬的線偏振激光和不同橫向尺度的靶相互作用,發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光脈寬較小時(shí),橫向尺度接近焦斑大小的靶中能產(chǎn)生較多的正負(fù)電子對(duì);當(dāng)激光脈寬較大時(shí),橫向尺度較大的靶能產(chǎn)生較多的正負(fù)電子對(duì)。而正電子的角分布不受激光脈寬的影響,2μm的靶中產(chǎn)生的正電子的準(zhǔn)直性最好。其次,我們研究同樣能量的圓偏振激光和固體靶相互作用時(shí),發(fā)現(xiàn)圓偏振激光驅(qū)動(dòng)下正電子的產(chǎn)生時(shí)間和線偏振相比有了明顯的推遲;當(dāng)激光脈寬較小時(shí),圓偏振中正電子的產(chǎn)量小于線偏振中正電子的產(chǎn)量;當(dāng)激光脈寬較大時(shí),兩者產(chǎn)量相當(dāng)。圓偏振激光驅(qū)動(dòng)下,靶的橫向尺寸對(duì)于正電子的產(chǎn)量影響較小。最后,我們提出了有效電子輻射標(biāo)記法,并根據(jù)電子平均能量的空間分布和有效電子狀態(tài)輻射信息分析得出:靶前電子由于激光偏振效應(yīng)導(dǎo)致加熱機(jī)制的不同是兩者正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生過(guò)程不同的主要原因。我們根據(jù)不同的激光偏振,設(shè)計(jì)了不同靶前結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)額的最大化。2.研究了不同偏振的超強(qiáng)激光和固體靶相互作用中正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生和隨后的級(jí)聯(lián)效應(yīng)。首先,在程序中增加了QED參數(shù)的輸出和粒子的代次信息。其次,我們利用相關(guān)粒子χ值的空間分布,分析了激光偏振效應(yīng)對(duì)光子數(shù)密度和正電子數(shù)密空間分布的影響,初步定性分析了次級(jí)粒子對(duì)于QED級(jí)聯(lián)的貢獻(xiàn)。發(fā)現(xiàn)由于QED級(jí)聯(lián)效應(yīng),激光偏振影響了激光打洞過(guò)程,形成了不同的打洞深度和打洞形狀。隨后,根據(jù)粒子的級(jí)聯(lián)代次,繪制了級(jí)聯(lián)代次譜,根據(jù)級(jí)聯(lián)代次譜的形狀區(qū)分了強(qiáng)級(jí)聯(lián)和弱級(jí)聯(lián)過(guò)程,并且定義了級(jí)聯(lián)深度。從定量角度,區(qū)分了靶電子和正負(fù)電子對(duì)對(duì)于QED過(guò)程的貢獻(xiàn),以及激光偏振對(duì)于QED級(jí)聯(lián)過(guò)程的影響。最后,研究了在不同的激光偏振驅(qū)動(dòng)下模擬維度對(duì)于正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生的影響。3.我們研究了雙束相向傳播的激光和薄膜固體靶相互作用中正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生。我們首先研究了固體靶的密度對(duì)正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)額的影響,通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)入x子體的初始密度處于200～280n_c時(shí),正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)額最高。此時(shí),激光能穿透等離子體形成穩(wěn)定的駐波場(chǎng)。其次,在最優(yōu)密度的條件下,我們研究了激光脈寬和頻率對(duì)于正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)額的影響。當(dāng)激光脈寬較短時(shí),倍頻激光能較早地穿透等離子體,形成穩(wěn)定的駐波場(chǎng),此時(shí)正負(fù)電子對(duì)的總數(shù)目最高;當(dāng)激光脈寬較長(zhǎng)時(shí),基頻激光雖然穿透等離子體較晚,但是由于較大的矢勢(shì)能將駐波場(chǎng)中的電子加速到更高的能量,會(huì)使得正負(fù)電子對(duì)的數(shù)目達(dá)到最高。
【圖文】：

1 與強(qiáng)激光等離子體相關(guān)的物理領(lǐng)域之間的關(guān)系。圖片來(lái)自文1 The connection between different fields related to laser plasma從能量尺度來(lái)簡(jiǎn)單回顧下激光等離子體物理的發(fā)展歷帶電粒子在激光場(chǎng)中所獲得的能量由激光強(qiáng)度決定。

2激光技術(shù)和年份之間的關(guān)系
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN24;O53

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