阿秒科学前沿开拓与强场量子相干控制研究

该研究产生更短脉宽、更高光子能量与更高亮度的阿秒相干光源以及原子分子中阿秒电子波包的探测和控制,预期目标主要包括:(1)实现亚飞秒时间尺度和原子级空间尺度内实时观测和控制电子动力学行为;(2)在多电子弛豫过程中,电子重排、电子-电子碰撞动力学等多电子复杂动力学研究中取得若干突破;(3)揭示有重要意义的化学反应的电子动力学物理本质。探索阿秒脉冲作用下物质的电子动力学新规律及其应用。开展中红外激光与气体介质相互作用产生高次谐波的实验和理论研究,采用双色场方法获得高次谐波连续谱,为进一步将阿秒脉冲宽度测量和光子能量推进到"水窗"做准备。从理论上深入了解分子结构和反应通道和分子高次谐波之间的联系,以及和激光参数之间的关系,为实验研究做准备。获得了一些系列研究成果,包括发现太赫兹辐射波形可以通过改变驱动激光脉冲的CEP而实现控制,在光丝等离子体中太赫兹辐射发生极性反转,利用周期量级极端超快激光脉冲光场自身的不对称性获得增强的太赫兹辐射;发现基于独立电子近似的遂穿模型不能解释次序双电离中的许多现象等。     

超短超强激光脉冲驱动等离子体波加速电子方案以及最新研究进展

随着超短超强脉冲激光技术的发展，人们可以在台面尺度获得光强超过10¹⁸W·cm^-2、脉宽小于100fs的超短脉冲激光.这种超短脉冲激光很容易把初始静止的电子加速到相对论能量.而更重要的是超短激光脉冲可以通过其有质动力激发大振幅的等离子体波（称为激光尾波场），把电子加速到更高的能量.其加速梯度可达到100GeV·m^-1，即在1mm的空间尺度把等离子体电子加速到100MeV.国际上4个实验室在2004年报道通过激光尾波场加速获得能量单色性以及方向性极好的电子束，使人们看到了激光尾波场加速电子的实际应用前景.文中简要介绍等离子体中激光尾波场加速电子的物理机制和方案、及该领域的最新进展和展望.     

自注入电子束的加速及其对激光尾场的影响

在激光等离子体相互作用中对自注入电子束的加速及其对尾场的影响进行了理论研究.自注入电子束在空泡底部削弱了激光尾波静电场.随着自注入电子束电荷密度的增加,尾波场结构明显改变和空泡纵向变长.随后的鞘层电子须以较高的初始纵向动量才能自注入到不断演化的空泡尾场中.当自注入电子束的库仑场大于空泡内静电场时,该电子束将驱动等离子体尾波场.     

准直准单能靶面电子加速实验研究

实验上使用大能量、亚ps激光脉冲大角度入射固体靶,获得了沿靶面方向定向传播、发散角仅有2°、峰值能量为3–4 Me V的准直、准单能电子束.实验发现激光对比度对靶面电子束的产生起到了至关重要的作用,最佳的对比度为5×10-6.在此最优化条件下,通过背向散射光谱分析发现,共振吸收激发的等离子体波加速可能是电子的主要加速机制.探针光阴影成像及等离子体自发光的精细结构显示,预脉冲与固体靶相互作用中产生了尺度100μm左右的过临界密度预等离子体.这种等离子体的作用类似于等离子体反射镜,使得激光脉冲被限制在预等离子体区与靶面之间,因而最终造成了电子束沿靶面方向的导引.这种靶面电子束因其合适的能量范围、高度的准直性及沿靶面方向定向传播的特性有望在惯性约束聚变尤其是锥靶快点火中得到应用.     

激光等离子体相互作用下高次谐波特性研究

相对论激光与等离子体相互作用中形成的纳米电子束在强激光场中的相干同步辐射是产生相干极紫外线和X射线辐射的独特方式.相对论激光脉冲的宽度和等离子体的各种参数决定了产生单个阿秒脉冲还是阿秒脉冲串.在激光脉冲持续时间只有少数几个光学周期下,其载波包络相位对阿秒脉冲有重要影响.通过控制载波包络相位在合适的范围,可以得到孤立阿秒脉冲.除了驱动激光的载波包络相位,等离子体密度分布梯度和等离子体厚度也会影响阿秒脉冲的特性.     

外加电场下激光诱导Al等离子体特性的实验研究

由Q-Nd∶YAG脉冲激光(波长1.06μm,脉宽10 ns)烧蚀Al靶产生等离子体.观测了在低气压和直流电场条件下的Al等离子体发射光谱.研究了激光功率密度和直流电场对各谱线强度的影响,分析了等离子体电子温度与激光能量之间的变化规律.结果表明,直流电场对铝原子谱线和离子谱线强度有显著的增强作用,铝等离子体的电子温度随激光功率密度持续增长.     

利用飞秒激光脉冲整形进行太赫兹波整形

产生太赫兹的一般方法是用超短激光脉冲照射光导天线或半导体材料,产生的太赫兹脉冲形状一般比较复杂.如果要将太赫兹辐射应用于通讯,或者分子反应动力学过程的相关控制,需要能够产生任意形状的太赫兹脉冲.介绍了利用激光脉冲整形对太赫兹波整形的原理和实验研究进展,通过对激发太赫兹辐射的飞秒激光脉冲整形,可以实现对太赫兹波形的控制.控制激励脉冲序列的脉冲间隔可以改变太赫兹脉冲系列的相位关系,调制激光脉冲强度可以产生相应的二进制太赫兹脉冲编码,用周期可变的相位掩模板对飞秒激光脉冲整形实现可调谐窄带太赫兹辐射.     

太赫兹波相干探测的物理机制研究

通过探测经周期量级激光脉冲激励所产生的气体等离子体荧光辐射增强现象,研究了太赫兹波相干探测的物理过程。结果表明,太赫兹场同周期量级激光脉冲载波-包络相位改变π前后相应的荧光辐射增强量的差值成正比,最佳探测条件可表达为ETHz∝ΔI(φ=π)-ΔI(φ=0)。     

基于微型谐振腔的史密斯-帕赛尔自由电子激光

研究了一种由电子枪、微谐振腔、金属光栅和集电极组成的新型史密斯-帕赛尔自由电子激光.利用PIC三维模拟,讨论了该装置的特点.发现在合理的电子能量和光栅参数下,该装置可以产生THz频率范围内的相干高功率脉冲SPR.研究结果表明,当电子束能量E=50keV,电子束电流I=10A时,光栅周期L=0.3mm时,可以得到功率在4 000W左右、脉冲为0.25ns的514.643GHz的太赫兹辐射.     

超强光场驱动的高性能高能粒子束的产生及其应用开拓研究

超短超强激光驱动等离子体,可获得电子能量高达1Ge V、质子能量高达60Me V的高性能粒子束,从而在高能加速器、聚变物理、短脉冲高亮度X光源产生、实现小型化自由电子激光等领域都有重大的应用价值。该研究主要研究利用超短超强激光在等离子体中形成稳定的特殊三维尾波结构,即空泡,实现单能电子加速。采用两种控制电子注入的方法,即两束激光对打和纳米细丝扰动,来提高电子加速的稳定性,并控制高能电子的数量和能量。该研究还将通过改变激光传输方向的等离子体密度,来改变空泡中纵向加速静电场的梯度,从而抵消高能电子束本身电荷分离场的梯度,以提高电子束的性能;还将研究高能电子束的细致结构,并考虑其可能的重大应用。该研究将利用靶后鞘层加速实现质子加速,并将利用多层靶来提高加速效率,利用微结构靶获得准单能质子束,同时研究获得高性能高能离子束的其他有效途径。     

在激光尾场加速中电子密度和初始动量对其自注入及加速的影响

利用哈密顿理论给出了等离子体电子在尾场中捕获及其加速与激光、等离子体参量的关系表达式.讨论了等离子体电子密度和初始动量对电子自注入和加速的影响机制.研究结果表明:静止电子不能被尾场捕获并加速,而具有一定初始动量的电子容易自注入至激光尾场中并得到加速.等离子体密度越小,激光尾场场强越强,电子将获得更大的能量.2维粒子模拟结果与理论结论一致.所得结果对超强超短脉冲激光尾场加速电子的方案具有理论指导意义.     

中红外激光场中分子高次谐波生成的单轨道和多轨道效应（英文）

采用非微扰电动力学的方法研究了中红外激光场驱动分子产生的高次谐波能谱,并分析了不同分子轨道的贡献.研究发现,单个分子轨道产生的高次谐波能谱呈现出分子结构导致的干涉极小值.长脉冲中干涉极小值的位置随着激光强度增加向高能端移动,短脉冲中其位置固定.这种差别是由于不同脉宽的激光场中电子抖动动能的变化引起的.干涉极小值的最大移动量等于激光场中电子的抖动能.多个分子轨道辐射的谐波会产生干涉,这种干涉效应主要体现在两个方面:一是掩盖了单个轨道谐波谱的干涉极小值,从而使得总能谱中极小值不明显;二是通过总能谱中干涉结构的变化,体现出单轨道谐波谱中干涉极小值前后的相位突变.本研究解释了一系列的实验观测并预言了有待观测的现象.     

铁铂膜厚度对Fe/Pt异质结构太赫兹辐射的影响

本文通过飞秒脉冲激光和铁铂异质结构的相互作用产生太赫兹(Terahertz,THz)脉冲,并利用时序太赫兹的测量方法,研究了太赫兹光在金属薄膜中的传播规律.太赫兹光在铁(Fe)膜和铂(Pt)膜中都以指数形式衰减,但是与金属体材料传播介质及适用于体材料的Drude模型相比,2~10 nm厚的铁、铂薄膜对太赫兹光的衰减系数明显增加.其原因可能是由于超薄薄膜中电子在膜厚方向的运动受限,而膜平面内的自由程增加,导致在膜平面内电场的衰减长度变小.该现象在近红外的飞秒脉冲光中同样存在.     

中红外激光场中分子高次谐波生成的单轨道和多轨道效应

采用非微扰电动力学的方法研究了中红外激光场驱动分子产生的高次谐波能谱,并分析了不同分子轨道的贡献.研究发现,单个分子轨道产生的高次谐波能谱呈现出分子结构导致的干涉极小值.长脉冲中干涉极小值的位置随着激光强度增加向高能端移动,短脉冲中其位置固定.这种差别是由于不同脉宽的激光场中电子抖动动能的变化引起的.干涉极小值的最大移动量等于激光场中电子的抖动能.多个分子轨道辐射的谐波会产生干涉,这种干涉效应主要体现在两个方面:一是掩盖了单个轨道谐波谱的干涉极小值,从而使得总能谱中极小值不明显;二是通过总能谱中干涉结构的变化,体现出单轨道谐波谱中干涉极小值前后的相位突变.本研究解释了一系列的实验观测并预言了有待观测的现象.     

脉冲测速仪中激光器的研究

本文针对国内测速仪的应用现状,对目前脉,中激光测速仪的电源进行研究,提出了高效的驱动电路,利用高速场效应管作为纳秒开关,通过电容充放电来产生脉宽很窄的大电流脉冲,驱动半导体激光器发出脉冲激光。使测量精度得以提高。     

一维Ar~+在组合激光脉冲作用下的高次谐波辐射

提出一种产生超宽相干极紫外连续谱的新方法。利用少周期的基频光超短脉冲叠加上其倍频光驱动Ar+,产生的高次谐波出现双平台结构。结果表明:利用该方法可以有效地对电子在激光场中的短轨道进行选取,使得第二个平台的超连续谱辐射时相位几乎是锁定的,将这部分谐波谱进行叠加可以得到脉宽短至58 as的单个脉冲;合成的单个阿秒脉冲受两激光场参数的影响较小,即改变两束激光的相对光强、延迟时间等仍然可以获得相似脉宽的单个阿秒脉冲。     

激光等离子体加速电子与固体靶相互作用产生相对论正电子的模拟计算

通过理论分析,建立了激光等离子体加速电子与固体靶相互作用产生相对论正电子的物理模型,以及Geant4模拟程序.以100 Me V量级的激光等离子体加速电子束参数为输入,模拟研究了不同靶材和靶厚条件下正电子束的产额、能量、角分布等主要物理参数.结果表明:金靶和钽靶是较优秀的电子—正电子转换靶材;对于相同的金属靶材面密度,正电子产额与原子序数Z的四次方成正比,与原子质量数A的平方成反比,即Ne+∝(Z2/A)2;对于不同的靶材,正电子产额有Ne+∝d2,其中d为靶材厚度,但仍存在一个最佳靶厚度.与利用拍瓦、皮秒激光束与固体靶相互作用产生正电子束的方案相比,利用本方案有望获得更高能量以及更小角发散的相对论正电子束,其流强可达107/shot.     

激光等离子体相互作用中产生的磁场与电子热传导

本文应用三维相对论电磁粒子模拟程序,研究超强超短脉冲激光与等离子体薄靶的相互作用中产生的磁场与电子热传导。研究结果表明,被激发的磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量,同时对在激光有质动力推开电子时形成的电子热流产生抑制作用。对这些物理过程的细致研究对更好的理解快点火物理中自生磁场的产生,快电子输运等过程有重要意义。     

基于强激光场调控的关联电子动力学操控研究

正我校物理电子工程学院教师汤清彬博士2015年获批国家自然科学基金面上项目:基于强激光场调控的关联电子动力学操控研究,项目编号:61575169.超快超强激光脉冲技术的发展为研究光与物质相互作用提供了前所未有的实验条件,将光与物质相互作用的研究拓展到了一个新的层次.最近十几年来,强激光场驱动的多电子体系的     

激光脉宽对椭偏光驱动的原子次序双电离的影响

利用经典模型,研究了激光脉宽对椭偏光驱动的Ar原子次序双电离(SDI)的影响.结果发现,二价离子动量分布强烈地依赖于激光脉宽.随激光脉宽增加,离子动量分布从二带结构变为四带结构,然后又变为六带结构.向后分析双电离轨迹既显示了椭偏光驱动的原子次序双电离中的亚周期电子出射现象,又表明带状结构随激光脉宽的演化取决于第二个电子电离时间随激光脉宽的变化.