隨著超快物理的發(fā)展,人們在飛秒時間尺度內(nèi)實時觀測了物質(zhì)中原子和分子的運動。隨著研究的深入,人們期待能在阿秒時間尺度內(nèi)觀測和控制原子內(nèi)部狀態(tài)。高品質(zhì)的超短電子脈沖,促進(jìn)了超快技術(shù)的不斷發(fā)展。雖然傳統(tǒng)加速器可以把電子加速到很高能量,但由于注入器技術(shù)及束團拉伸效應(yīng)的限制,它很難產(chǎn)生脈寬低于百飛秒（10^-1515 s）的超短電子脈沖。伴隨激光技術(shù)的不斷進(jìn)步,特別是調(diào)Q技術(shù)、激光鎖模技術(shù)和啁啾脈沖放大技術(shù),激光脈寬從納秒（10^-99 s）縮短到飛秒量級,峰值功率也從兆瓦（10⁶ W）提高到了拍瓦量級（10¹55 W）。目前,激光的峰值強度已經(jīng)超過了10²22 W/cm²。由于超短超強激光的脈寬通常在幾十飛秒,它與物質(zhì)的相互作用在超短電子脈沖的產(chǎn)生上具有天然優(yōu)勢。超短超強激光的產(chǎn)生也把激光與物質(zhì)的相互作用推向相對論研究范疇,此時激光場中的相對論電子動力學(xué)占據(jù)了主導(dǎo)地位。由等離子體中相對論帶電粒子運動所驅(qū)動的光學(xué)過程,即所謂的“相對論等離子體光學(xué)”,極大地促進(jìn)了超快物理... 

【文章來源】：國防科技大學(xué)湖南省 211工程院校 985工程院校

【文章頁數(shù)】：177 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

激光聚焦強度隨年代的演化[32]

國防科技大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文圖1.2激光空泡加速示意圖[59]。圖中藍(lán)色表示電子密度，紅色表示激光電場強度。泡，電子被空泡捕獲后可以被加速到很高能量，如圖1.2所示，這種機制被稱為等離子體空泡加速。通過引入預(yù)等離子體通道[62]或毛細(xì)管結(jié)構(gòu)[63]，可以顯著延長電子的加速距離，從而大幅提高電子的能量。通過采用背向拉曼散射注入[64]、激光脈沖注入[65]、密度梯度注入[66]和高階離化注入[67]等方法，可以顯著增大電荷量、改善電子脈沖能散，從而進(jìn)一步優(yōu)化電子脈沖的品質(zhì)。2004年，國際上的多個實驗室同時在自然雜志上報道了利用功率10～30TW左右、脈寬30～55fs的臺面型激光器產(chǎn)生了能量在幾十到幾百MeV、脈寬十幾飛秒的準(zhǔn)單能電子脈沖，在電子加速領(lǐng)域引起了轟動，被稱為“夢之束”[68–70]。目前，基于激光尾波場加速機制，人們已經(jīng)實現(xiàn)了100GeV/m的加速梯度，能夠在毫米尺度上獲得在品質(zhì)上可以媲美傳統(tǒng)加速器的超短電子脈沖[71,72]。未來，利用級聯(lián)加速或帶電粒子束驅(qū)動的尾場加速，人們希望能夠產(chǎn)生100GeV或1TeV的超短電子脈沖[73,74]。雖然激光尾波場加速機制取得了可喜的研究進(jìn)展，但由于束流負(fù)載效應(yīng)，電子脈沖的電荷量被局限在幾十pC。為了顯著提高電荷量，激光直接加速機制應(yīng)運而生，主要包括激光共振加速[75]、激光有質(zhì)動力加速[76]和激光縱向電場加速。1999年，Pukhov等人[77]通過三維數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在自生電磁場的作用下，電子可以在等離子體通道中發(fā)生Betatron振蕩。當(dāng)電子的振蕩頻率接近激光頻率時，形成了共振，電子可以從激光場中有效地獲得能量。目前，這種加速機制也已經(jīng)被實驗結(jié)果證實[78]。研究表明，當(dāng)超強激光與固體靶相互作用，靶內(nèi)電子可以被激光有質(zhì)動力加速到很高能量，電子的最大相對論因子γmax≈1+a20/2。最?

國防科技大學(xué)研究生院博士學(xué)位論文圖1.3光子-光子對撞機示意圖[95]。圖中兩束超強激光驅(qū)動窄通道靶產(chǎn)生了高度準(zhǔn)直的γ射線脈沖；兩束γ射線相撞后，通過雙光子Breit-Wheeler過程(γγ′→ee+)產(chǎn)生了大量準(zhǔn)直的正電子。通過位于碰撞區(qū)域后的質(zhì)譜儀可以探測正電子信號。當(dāng)激光強度增加到1020W/cm2，利用超強激光脈沖輻照高Z材料，可以產(chǎn)生大量超熱電子。在此過程中，超強激光產(chǎn)生的MeV量級的超熱電子可以通過Trident(e+Z→e++2e+Z)和Bethe-Heitler(e+Z→γ+e+Z,γ+Z→e++e+Z)[111,112]這兩種機制來產(chǎn)生正電子。這種方案在實驗上已經(jīng)得到實現(xiàn)[113,114]，但產(chǎn)生的正電子的密度只有1016～17/cm3。隨著以歐盟極光基礎(chǔ)設(shè)施(ExtremeLightInfrastructure,ELI)[115,116]為代表的大型拍瓦激光裝置的建成，激光峰值強度被提高到1022W/cm2以上。此時，輻射阻尼效應(yīng)主導(dǎo)了電子的非線性動力學(xué)，能夠揭示量子真空結(jié)構(gòu)，并觸發(fā)正負(fù)電子對、μ子-反μ子及介子-反介子的產(chǎn)生[117]。2016年，朱興龍等人[118]提出利用兩束強度為1022W/cm2的激光脈沖輻照雙錐靶來大幅增強正電子產(chǎn)額。當(dāng)近臨界密度等離子體中的電子被輻射捕獲后，將在激光場中強烈振蕩，并發(fā)出高亮γ射線。當(dāng)γ射線與錐靶聚焦后的激光脈沖相遇后，通過多光子Breit-Wheeler過程(γ+nω0→e+e+)[119]產(chǎn)生了1011個密度高達(dá)4×1022/cm3的GeV的正電子。2019年，余金清等人[95]提出了利用雙光子Breit-Wheeler過程(γ+γ′→e+e+)[120]來產(chǎn)生正電子的方案。如圖1.3所示，兩束峰值強度為1023W/cm2的激光脈沖輻照到長200μm、內(nèi)徑4μm的窄通道靶中，通過縱向電場分量使電子加速到近GeV能量。在橫向作用力的調(diào)制下，電子發(fā)射出1014個、發(fā)散角為3的γ光子，對應(yīng)的γ射線的亮度達(dá)到了1.5×102

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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本文編號：3467125