發(fā)布時(shí)間：2020-09-14 14:14

　　 為了實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)的微型加速器,我們需要克服在微米量級上變得顯著的量子效應(yīng),以及強(qiáng)場下光與物質(zhì)的相互作用過程。為了研究這些問題,我們參考了自由電子激光器中電子從經(jīng)典行為到量子行為的轉(zhuǎn)變過程,同時(shí)借鑒了激光誘導(dǎo)的近場電子顯微鏡中對于強(qiáng)場的處理。自由電子激光器(Free electron laser)是一種利用相對論性電子在周期性變化的磁場中運(yùn)動(dòng),受到洛倫茲力作用發(fā)生周期性震蕩產(chǎn)生同步輻射的器件。目前實(shí)驗(yàn)上的FEL完全可以用全經(jīng)典的理論來描述電子的動(dòng)力學(xué)行為,電子被處理為在磁場中運(yùn)動(dòng)的帶電(-e)點(diǎn)粒子。而從康普頓散射的角度來看,如果相互作用中電子的量子反沖(quantum recoil q)足夠大,且電子的動(dòng)量分布寬度△P足夠小時(shí),電子的動(dòng)量能夠產(chǎn)生可觀測的“量子化”分布,我們需要用量子力學(xué)來描述電子的行為,該情況下被稱為量子自由電子激光器(quantum FEL)。當(dāng)激光照射到納米材料表面時(shí),可以激發(fā)出局域在材料表面的強(qiáng)場,被稱為近場。當(dāng)電子與近場光發(fā)生耦合時(shí),電子能夠吸收/放出多個(gè)光量子,與量子自由電子激光器類似,產(chǎn)生“量子化”的動(dòng)量/能量邊帶分布,這種現(xiàn)象是激光誘導(dǎo)的近場電子顯微鏡(Photon-induced near-field electron microscopy,簡稱PINEM)的顯著特征,稱為PINEM效應(yīng)。為了能夠統(tǒng)一的解釋電子的波粒二象性問題,我們從量子力學(xué)的角度出發(fā)將電子作為波包處理,認(rèn)為粒子性和波動(dòng)性均為電子在相互作用過程中中的表現(xiàn),將相互作用過程作為一種測量手段。我們借助inverse Smith-Purcell效應(yīng)的模型,讓電子與光柵上激發(fā)的近場發(fā)生相互作用,通過調(diào)節(jié)入射光的波長、光柵的結(jié)構(gòu)周期以及電子初始波包的大小和相位,系統(tǒng)地研究了單電子波函數(shù)在光學(xué)近場作用下的量子調(diào)控和聚束效應(yīng),并且得到了激光加速器中電子的經(jīng)典粒子行為(如介質(zhì)激光加速器)以及超快透射電子顯微鏡中的量子波動(dòng)行為(如PINEM效應(yīng))。通過理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)合分析,我們將電子波包尺寸與近場光的波長的比例定義為“衰減系數(shù)”(Γ(L)=2πσz(L)/βλ),用來衡量電子與近場耦合中表現(xiàn)出的點(diǎn)粒子行為和波動(dòng)行為。通過調(diào)控衰減系數(shù)的大小,即改變電子波包的尺寸或近場光的波長,與近場光相互作用的電子能夠?qū)崿F(xiàn)從粒子到波的轉(zhuǎn)變,從而具體地刻畫出自由電子波函數(shù)在光和物質(zhì)相互作用的過程中的波粒二象性。我們研究了電子初始波包的啁啾相位對于末態(tài)電子的影響,結(jié)合衰減系數(shù),將電子與近場耦合的模式區(qū)分為三種典型行為:經(jīng)典的點(diǎn)粒子加速、量子的PINEM效應(yīng)以及介于經(jīng)典和量子條件之間的“非常規(guī)”動(dòng)量/能量邊帶。對比PINEM效應(yīng),我們將最后一種情況命名為反常PINEM效應(yīng)(anomalous PINEM,簡稱APINEM)。另一方面,我們利用Crank-Nicholson方法數(shù)值地計(jì)算相互作用過程中電子波函數(shù)的演化過程,并將電子態(tài)投影到相空間中得到了波包的Wigner分布,從而獲得了相空間中電子的兩種基本特征:即,波包的量子形變,和動(dòng)量/能譜邊帶之間的量子干涉條紋。借助相空間中涌現(xiàn)出的電子波函數(shù)的量子形變和干涉條紋,我們將APINEM效應(yīng)理解為經(jīng)典的加速和量子的PINEM效應(yīng)之間的一種“過渡”行為,因此從電子波包的角度能夠?qū)⒔鼒鲎饔孟铝Ｗ拥慕?jīng)典線性加速和量子PINEM效應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)一的解釋。同時(shí)根據(jù)相空間中的波包演化特征,我們進(jìn)一步研究了自由傳播帶來的啁啾效應(yīng)而導(dǎo)致的單粒子聚束,單粒子反聚束以及周期性聚束的行為。在周期性聚束中我們得到了阿秒級(10-18s)寬度的單個(gè)聚束,這樣的結(jié)果對于提高電子相干性從而實(shí)現(xiàn)高分辨率的電子成像以及研究電子發(fā)光具有重要的意義。因此,在波粒二象性的圖像下,我們研究了強(qiáng)場環(huán)境中的電子加速和電子量子相干調(diào)控的問題,提出了衰減系數(shù)Γ(L)的概念來刻畫電子從粒子性到波動(dòng)性的轉(zhuǎn)變,在相空間中具體分析了電子與近場耦合過程中的量子形變與干涉條紋。借助量子干涉的概念,將電子與近場相互作用的三種典型圖像自洽的聯(lián)系在一起,將經(jīng)典的加速行為理解為量子力學(xué)系統(tǒng)中自然涌現(xiàn)出的結(jié)果。
【學(xué)位單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN249;O413
【部分圖文】：

１．１邋ＦＥＬ的基本原理逡逑在經(jīng)典自由電子激光器中，電子被作為點(diǎn)粒子處理。將一束電子加速到接逡逑近光速并讓它們通過被稱為“振蕩器”的交替磁鐵陣列，如圖１．１所示。電子受逡逑到洛倫茲力的作用產(chǎn)生了垂直于運(yùn)動(dòng)方向（振蕩器的軸）的橫向振蕩并產(chǎn)生輻逡逑射。需要注意的是，電子輻射的能量來源于電子本身的動(dòng)能而非振蕩器中的靜逡逑態(tài)磁場。逡逑募￡以逡逑Ｓ邐＼邐Ｓ邐Ｎ邐Ｓ邐＼邐Ｓ邋［＂逡逑＼邐Ｓ邐＼邐Ｓ邐＼邐Ｓ邐＼一逡逑圖１．１邋ＦＥＬ的基本結(jié)構(gòu)：相對論性的電子穿過可調(diào)節(jié)的激勵(lì)磁鐵振蕩器；由于洛倫逡逑茲效應(yīng)，電子垂直于軸線（運(yùn)動(dòng)）方向發(fā)生振蕩并且沿著前進(jìn)方向發(fā)出輻射逡逑光［３２］。逡逑－３－逡逑

略輻射的問題，主要關(guān)注自由電子激光器中對電子運(yùn)動(dòng)的處理［３８］。為此我們逡逑將電子從實(shí)驗(yàn)實(shí)參考系變換到Ｂａｍｂｉｎｉ邋－邋Ｒｅｎｉｅｒｉ參考系［３９］，在該參考系中入射逡逑光場的波矢匕與振蕩器磁場的波矢／＾大小相同ｔ邋＝邋／ｒｖｖ？三ｈ如圖１．２所示。逡逑ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ邋ｆｒａｍｅ邐Ｂａｍｂｉｎｉ—Ｒｅｎｉｅｒｉ邋ｆｒａｍｅ逡逑ｌａｓｅｒ邐ｗｉｇｇｌｅｒ邐ｌａｓｅｒ邐ｗｉｇｇｌｅｒ逡逑ｊｌｉｙＳＡ邋Ｊｆｅｉ逡逑＾邋Ａ，．邐Ａｗ邐＾邋入邐Ｘ逡逑Ａ｜，邋＝邋Ａｗ．三邋Ａ逡逑圖１．２邋從實(shí)驗(yàn)實(shí)參考系（左）到共同運(yùn)動(dòng)的Ｂａｍｂｉｎｉ－Ｒｅｎｉｅｒｉ參考系（右）：實(shí)逡逑驗(yàn)實(shí)參考系中，相對論性電子具有接近光速ｃ的速度。根據(jù)共振條件，逡逑入射光的波長從由電子的相對論因子卩以及振蕩器的波長ＡｖＷY,定。而逡逑在Ｂａｍｂｉｎｉ邋＿邋Ｒｅｎｉｅｒｉ參考系中，電子的速度遠(yuǎn)小于光速因此回到非相對論極逡逑限，并且＝邋兩者形成駐波模式［３２］。逡逑考慮一個(gè)具有Ｎ個(gè)電子的系統(tǒng)，它們的位置標(biāo)記為ａ：，，動(dòng)量標(biāo)記為巧，質(zhì)逡逑量為ｍ，該系統(tǒng)與幅度場的相互作用表不為［４０Ｊ逡逑［Ｐ．廠如．０］２邐（１．３）逡逑Ｕ邋２ｍ逡逑我們認(rèn)為自由電子激光器中的輻射場由相向傳播的平面波構(gòu)成

動(dòng)量軸上的區(qū)間為卜邐■ｖ／Ｓｍｔ／ｏｌａｉｌ］邋［３２］。逡逑線表示的邊界所限制。當(dāng)我們不斷增加量子反沖ｑ時(shí)，如圖１．３右圖所示，水平逡逑實(shí)線表示離散動(dòng)量梯，連續(xù)軌跡將無法繼續(xù)描述電子的動(dòng)力學(xué)行為。逡逑將電子在相空間中動(dòng)量軸上的最大值土邋２７７１％丨叱｜作為激光器中電子動(dòng)力逡逑學(xué)的動(dòng)量尺度，與量子反沖ｑ進(jìn)行比較。當(dāng)ｘ／＾ｍｔ／ｏｌｏＬｌ／ｇ》１時(shí)，動(dòng)量的離散逡逑性在系統(tǒng)中并沒有很大的影響，我們可以將該情況下的動(dòng)量作為準(zhǔn)連續(xù)處逡逑理。在與激勵(lì)磁鐵振蕩器的相互作用中，每個(gè)電子發(fā)射或吸收數(shù)以千記的光逡逑子［４１，４２］，此時(shí)電子的動(dòng)力學(xué)依然可以用經(jīng)典的自由電子激光器理論來描述。逡逑而當(dāng)ｖ／２ｍ？７0｜ａＬ｜／ｇ較小時(shí)，量子反沖ｑ相比于動(dòng)量邊界不可忽略，逡逑因此相空間中動(dòng)量的離散化使得電子行為需要在量子力學(xué)的框架下才可以描逡逑述。在這種情況下，自由電子激光器中的電子將只發(fā)射或吸收少量的光子。逡逑除了由系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)給出的要求

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 付杰;郭喜慶;趙天卓;連富強(qiáng);樊仲維;;激光誘導(dǎo)鋼靶等離子體時(shí)間分辨光譜特性研究[J];中國激光;2017年03期

2 程遠(yuǎn)坤;鄒雄偉;黃海萍;羅志琴;陳曉磊;李玲玲;;基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的水中痕量鉛和鎘元素在線檢測研究[J];企業(yè)技術(shù)開發(fā);2017年03期

3 李永紅;任敏;閔順耕;譚佳南;孫延;;激光誘導(dǎo)擊穿光譜快速定性分析土壤中金屬元素[J];分析儀器;2016年S1期

4 李安;王亮偉;郭帥;劉瑞斌;;激光誘導(dǎo)擊穿光譜增強(qiáng)機(jī)制及技術(shù)研究進(jìn)展[J];中國光學(xué);2017年05期

5 向前蘭;潘秀紅;史亞亞;;激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在液體檢測中的應(yīng)用進(jìn)展[J];裝備制造技術(shù);2015年11期

6 沈桂華;李華昌;史燁弘;;激光誘導(dǎo)擊穿光譜發(fā)展現(xiàn)狀[J];冶金分析;2016年05期

7 尹華亮;侯宗余;袁廷璧;王哲;;激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用綜述[J];大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào);2016年05期

8 王旭朝;郝中騏;郭連波;李祥友;陸永楓;曾曉雁;;基于共振激發(fā)的激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)研究進(jìn)展[J];光譜學(xué)與光譜分析;2015年05期

9 王卿;譚娟;吳健;吳建強(qiáng);;激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用動(dòng)態(tài)[J];中國環(huán)境監(jiān)測;2015年03期

10 張?zhí)忑?吳珊;湯宏勝;王康;段憶翔;李華;;化學(xué)計(jì)量學(xué)在激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析中的研究進(jìn)展[J];分析化學(xué);2015年06期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 陳子琪;王新兵;左都羅;;激光誘導(dǎo)液滴射流等離子體的實(shí)驗(yàn)研究[A];激光聚變能源檢測與驅(qū)動(dòng)技術(shù)研討會(huì)摘要集[C];2015年

2 高淑梅;蘭秀風(fēng);劉瑩;沈中華;陸建;倪曉武;;不同波長激光誘導(dǎo)紅細(xì)胞熒光光譜特性分析[A];第十二屆全國光散射學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2003年

3 朱香平;張文松;湯潔;趙衛(wèi);豆西博;李耿;殷俊;;激光誘導(dǎo)擊穿光譜與拉曼聯(lián)用譜儀研制[A];2015 年（第七屆）西部光子學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2015年

4 熊威;張謙;趙芳;李潤華;;水中痕量六價(jià)鉻離子的激光誘導(dǎo)擊穿光譜高靈敏檢測[A];第十五屆全國原子與分子物理學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2009年

5 張大成;馬新文;汶偉強(qiáng);張鵬舉;劉惠萍;;兩種植物樹葉樣品的激光誘導(dǎo)擊穿光譜分析[A];第十五屆全國原子與分子物理學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2009年

6 李秋連;姚明印;劉木華;雷澤劍;;激光誘導(dǎo)擊穿光譜快速檢測南豐蜜桔礦質(zhì)元素[A];第九屆全國光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集（上冊）[C];2010年

7 孫對兄;蘇茂根;董晨鐘;;激光誘導(dǎo)擊穿鋁合金時(shí)空分辨光譜的研究[A];第十六屆全國原子與分子物理學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2011年

8 陳長進(jìn);;激光誘導(dǎo)的再散射過程的理論研究[A];第十六屆全國原子與分子物理學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2011年

9 王茜劏;閻吉祥;劉凱;趙華;葛聰慧;黃志文;;激光誘導(dǎo)擊穿光譜爆炸物探測方法研究[A];中國光學(xué)學(xué)會(huì)2011年學(xué)術(shù)大會(huì)摘要集[C];2011年

10 朱德華;陳建平;陸建;倪曉武;;基于竹炭基體的激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測水溶液中重金屬實(shí)驗(yàn)研究[A];魯豫贛黑蘇五省光學(xué)（激光）學(xué)會(huì)2011學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C];2011年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前3條

1 生焰明 李玉成;巧用激光誘導(dǎo)治療視網(wǎng)膜靜脈阻塞[N];健康報(bào);2004年

2 楊艷 陳曉麗;樹立國際航天合作新典范[N];中國航天報(bào);2015年

3 本報(bào)記者 馬愛平;走出國門的“未來分析巨星”[N];科技日報(bào);2017年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 楊文斌;激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在氣體檢測中的應(yīng)用研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所);2018年

2 趙春洋;鈉鈣平板玻璃激光誘導(dǎo)熱裂非對稱切割技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2017年

3 蔡燁程;玻璃/硅多層鍵合平板激光誘導(dǎo)熱裂切割技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

4 尹華亮;激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)用于工業(yè)粉末定量分析方法研究[D];清華大學(xué);2017年

5 林京君;鋼鐵成分的激光誘導(dǎo)擊穿光譜高精度檢測方法與裝備[D];長春工業(yè)大學(xué);2018年

6 王帥;面向多形態(tài)物質(zhì)元素分析的激光誘導(dǎo)擊穿光譜快速檢測技術(shù)研究[D];吉林大學(xué);2018年

7 李晨;飛秒激光誘導(dǎo)固體表面微納米周期性結(jié)構(gòu)的研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所);2016年

8 陳鵬;基于激光誘導(dǎo)熒光探測海洋水體環(huán)境參數(shù)的研究[D];武漢大學(xué);2015年

9 沙文;基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)的復(fù)合肥成分實(shí)驗(yàn)測量與分析研究[D];安徽大學(xué);2018年

10 張偉;磁性多層膜異質(zhì)結(jié)中飛秒激光誘導(dǎo)超快退磁機(jī)制的研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所);2018年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 劉俊鑫;嬰幼兒配方奶粉中若干關(guān)鍵元素的激光誘導(dǎo)擊穿光譜檢測新方法研究[D];天津大學(xué);2017年

2 張斌;激光誘導(dǎo)的單電子波函數(shù)的形變以及其量子經(jīng)典轉(zhuǎn)變[D];南京大學(xué);2019年

3 王曉偉;溫度和空間約束對飛秒激光誘導(dǎo)等離子體光譜的影響[D];吉林大學(xué);2018年

4 楊郁;甚高頻激發(fā)的容性耦合Ar/O_2等離子體的激光誘導(dǎo)診斷研究[D];蘇州大學(xué);2018年

5 葉倩倩;激光誘導(dǎo)擊穿光譜儀重金屬檢測實(shí)驗(yàn)研究[D];華北理工大學(xué);2018年

6 戴宇佳;納秒激光誘導(dǎo)等離子輻射特性及其對CCD探測器的干擾[D];長春理工大學(xué);2018年

7 龔書航;復(fù)雜顆粒激光誘導(dǎo)等離子體光譜特性及測量參數(shù)的優(yōu)化研究[D];中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院近代物理研究所);2018年

8 楊如松;激光誘導(dǎo)生物打印關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2016年

9 陳遠(yuǎn)鵬;基于飛秒激光誘導(dǎo)等離子體光譜學(xué)的合金相變無損檢測研究[D];湖南大學(xué);2018年

10 羅丹;激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在鈦合金、中低合金鋼定量分析中的應(yīng)用及其影響因素研究[D];北京有色金屬研究總院;2018年

本文編號：2818271