（粒子物理与原子核物理专业论文）激光场相速度分布与激光加速电子的研究.pdf

抽要 摘要 随着强激光技术的迅猛发展，研究利用激光的超强电磁场加速电子，并掘此 发展新一代小型化高能加速器已受到人们普遍关注。本论文针对真空激光加速中 的关键环节一相滑移问题，对聚焦激光场的相速度进行了深入的研究。得到了近 轴近似高斯光场中低楣速度区的分布规律和相应量化结果，并探索了光场低相速 度产生的原因，分析了低相速度区与电子俘获加速机制c a s ( c a p t u r ea n d a c c e l e r a t i o ns c e n a r i o ) 的关系。并进一步采用高阶修正场、精确非近轴近似 积分场和超短脉冲高斯激光场求解和证明了聚焦激光束存在低相速度区的问题。 本论文首先对广泛使用的近轴近似高斯光束进行研究，结果表明对于聚焦的 高斯激光束，在光束的外缘存在着低相速度区，此区域恰好位于一倍激光束轮廓 线外侧，并沿着激光衍射角曰= v k w o 方向延伸。当腰宽t w o = 6 0 ( 七为激光波 数，w o 为激光束腰宽) 时，在一倍瑞利长度内激光束轮廓线w ( z ) 与y 0 = c 的曲 线间最大偏差小于o 0 1 。在此区域内光波的相速度小于真空光速c ，其数值可 以定标为f ( 1 + b ( k w o ) 2 ) 。同时由于聚焦光场不再是简单的横场，其电场总 存在着纵向分量，这两者的结合便在激光场中形成了一个天然的加速通道，其性 质与通常线性加速器中的波导管非常相似。如果相对论电子能够注入到这一通道 内，那么它与激光场问的相移就可能变得非常小，从而能够长时间地保持在加速 相中得到极高能量。这给了c a s 机制很好的物理解释。通过对平面波小孔衍射场 进行研究表明，衍射可以造成光场相速度小于光速。实际光束总是衍射受限的， 传统观点( l a w s o n w o o d w a r d 定理) 基于无限空间自由传播的波场得出真空激 光无法用于电子加速的结论是不恰当的。在高斯光束中正是衍射相因子 鼢2 2 r ( z ) 导致了光场低相速度区的出现。 随着强激光聚焦光斑的缩小，采用近轴近似解描述光场会出现较大误差。为 进一步验证光场存在低相速度区及其分布规律，对高阶修正高斯光场进行了研 究。结果表明对于近轴近似及高阶修j 下光场，低相速度区分布在本质上是相同的， 只是腰宽t w o 3 0 时数值上的差异渐渐增大。结合对c a s 电子动力学的研究得 出，当光束腰宽h 6 0 时，激光场的高阶描述带来的修正效应可以忽略不计。 此结果肯定了基于近轴近似场描述所得的一系列研究结果，是对c a s 机制理论研 搐要 究的重要支持。 为将光场低相速度的研究深入到更加普遍的情况，以严格证明光场存在低相 速度区。采用角谱分析的方法得到了高斯光束的严格积分解，进而采用此精确非 近轴积分解研究了光场的楣速度分布。结果表明对于腰宽仅有几倍波长的强聚焦 高斯光束，低相速度区仍然存在，并且低相速度区分布的规律与近轴近似场结果 在本质上是一致的。特别当激光束腰宽七23 0 时，近轴近似解与精确解重合得 很好。对严格积分解高斯光束进行展开分析可以看出，近轴近似解相当于是精确 非近轴解关于小量s 展开后的零阶近似情况，当激光腰宽较大时，可以用近轴近 似解描述光场并得到合理的结果。目前高功率激光技术正向着超短、超强的方向 发展，对于超短脉冲激光其光场已不再可以简单的写作空间强度项与时间脉冲项 的乘积。本论文对这种时空耦合的超短脉冲光场进行了光场传播及相速度研究。 结果表明，脉冲修正项l 一( ，圆2 k w o ( 力】2 j 会造成光场相速度进一步减小， 其中为激光中心频率，万为脉冲频谱宽度。对于超短脉冲光场，其y 0 = c 曲 线将向光束轮廓线内侧扩展，因此低相速度区域会增大，不过其基本分布规律与 稳恒场是一致的。 同步加速对于粒子加速器设计是非常重要的。在真空激光加速中，f 是由于 光场的相速度和周期性，致使“在真空中自由电子与光束间能否发生净能量交换” 这一基本问题曾长期在学术界存在争议。本课题的重点在于研究真空聚焦光束是 否存在低相速度区及其特点与分布规律，以解决真空激光远场同步加速问题。在 国际上，这个问题是由本课题组首先提出的，它对于解释c a s 机制以及促进其 它同步激光加速概念发展是很关键的。另外，相速度本身是光场传播理论中的一 个基本问题，研究光场低相速度区存在的一般规律，也是一个有意义的基础性研 究课题。 i l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu l t r a - i n t e n s el a s e rt e c h n o l o g i e s ，t h e r eh a sb e e n m u c hi n t e r e s ti nt h es t u d yo fm a k i n gu s eo fi n t e n s el a s e rf i e l d st oa c c e l e r a t ee l e c t r o n s i no r d e rt od e v e l o pn e wt y p eo fs m a l ls i z e d ，h i g he n e r g yl a s e r - d r i v e na c c e l e r a t o ni n t h i st h e s i s ，t h ep h a s es l i p p a g ei nt h el a s e rf i e l d ，ak e yp r o b l e mi nv a c u u ml a s e r a c c l e r a t i o n ，h a sb e e ni n v e s t i g a t e dd e e p l y w eo b t a i n e dt h ed i s t r i b u t i o no fs u b l u m i n o u s p h a s ev e l o c i t yr e g i o n a n di t s s c a l i n gc h a r a c t e r i s t i c s i n w i d e l yu s e dp a r a x i a l a p p r o x i m a t i o no fg a u s s i a nl a s e rf i e l d a tt h es a n l et i m e ，t h er e a s o nc a u s i n gt h e s u b l u m i n o u sp h a s ev e l o c i t yt oa p p e a ri n o p t i c a l f i e l dw a si n v e s t i g a t e d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u b l u m i n o u sp h a s ev e l o c i t ya n dc a s ( c a p t u r ea n d a c c e l e r a t i o n s c e n a r i o ) w a sa n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，t h es u b l u m i n o u sp h a s ev e l o c i t yr e g i o n sh a v e b e e nd e d u c e da n dd e m o n s t r a t e di nh i g h o r d e rc o r r e c t e dg a u s s i a nf i e l d ，e x a c t n o n p a r a x i a l f i e l da n dm o r ep r a t i c a lu l t r a s h o r t p u l s e dg a u s s i a n l a s e rf i e l d ， r e s p e c t i v e l y f i r s t ，t h ep h a s ev e l o c i t yo ft h ew i d e l yu s e dp a r a x i a la p p r o x i m a t i o ng a u s s i a n f i e l dh a sb e e ns t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ，f o raf o c u s e dl a s e rb e a mp r o p a g a i n gi n v a c u u m ，t h e r ee x i s t sas u b l u m i n o u sw a v ep h a s ev e l o c i t yr e g i o ns u r r o u n d i n gt h el a s e r b e a ma x i s ，w h i c he m e r g e sj u s tb e y o n dt h eb e a mw i d t ha n de x t e n d sa l o n gt h e d i f f r a c t i o na n g l e 口= l 而f o re x a m p l e ，w h e nk w o = 6 0 ( 七i st h ew a v en u m b e r , w o i st h eb e a mw i d t ha tf o c u s ) ，t h em a x i m u md i f f e r e n c eb e t w e e nt h ec u r v eo fw ( z ) a n d = ci sl e s s t h a n0 0 1 w i t h i nar a y l e i g hl e n g t h i nt h i sr e g i o n ，t h e m i n i m u mp h a s ev e l o c i t yo ft h ew a v ei sl o w e rt h a nt h el i g h ts p e e dc t h em a g n i t u d e o ft h e p h a s ev e l o c i t y s c a l e s a s c ( 1 + b ( k w o ) 2 ) c o m b i n e d w i t ht h e l o n g i t u d i n a l e l e c t r i cf i e l df o r c e ，i tc a nf o r mi d e a la c c e l e r a t i o nc h a n n e l sf o r l a s e r - d r i v e na c c e l e r a t i o ni nv a c u u m ，w h i c hp o s s e s ss i m i l a rc h a r a c t e r i s t i c st ot h a to fa w a v eg u i d et u b eo fc o n v e n t i o n a la c c e l e r a t o r s r e l a t i v i s t i ce l e c t r o n si n j e c t e di n t ot h i s r e g i o nc a nb et r a p p e di nt h ea c c e l e r a t i o np h a s ea n d r e m a i ni nt h ep h a s ew i t ht h el a s e r f i e l df o rs u f f i c i e n t l yl o n gt i m e s ，t h e r e b yr e c e i v i n gc o n s i d e r a b l ee n e r g yf r o mt h ef i e l d 1 i l a b s t r a c t t h i sf e a t u r eg i v e sar e a s o n a b l ee x p l a n a t i o nf o rt h em e c h a n i s mo fc a s t h ep h a s e v e l o c i t yo fd i f f r a c t i o nf i e l d sf o ru n i f o r mp l a n ew a v eo nac i r c u l a ra p e r t u r eh a sb e e n i n v e s t i g a t e d i ti ss h o w nt h a td i f f r a c t i o nc a nr e s u l ti ns u b l u m i n o u sp h a s ev e l o c i t ya t c e r t a i np o i n t so f o p t i c a lf i e l di nv a c u u m w h a tt h el a w s o n w o o d w a r dt h e o r e ms t a t e s ， i e a ne l e c t r o nw i l ln o tg a i na n yn e te n e r g yf r o mal a s e rf i e l d ，i sn o tv a l i d ，b e c a u s ei t i sb a s e do nt h ei n f i n i t ep l a n ew a v ep r o p a g a t i o ni nf r e es p a c e w h a th a st ob ek e p ti n m i n di st h a ta l la c t u a ll i g h tb e a m sh a v ef i n i t ed i v e r g e n c e sd u et od i f f r a c t i o n t h e s u b l u m i n o u sp h a s ev e l o c i t yr e g i o ni ng a u s s i a nb e a mi sj u s tc a u s e db yt h ef a c t o r k r 2 2 r ( z ) w i t l lt h ed e c r e a s i n go ft h es p o ts i z eo faf o c u s e dl a s e rb e a m t h ee r r o ri n d e s c r i b i n gt h el a s e rf i e l d w i t ht h ep a r a x i a la p p r o x i m a t i o nm o d e lw i l li n c r e a s e b y d e r i v i n g t h e h i g h e ro r d e rc o r r e c t i o n st o d e s c r i b eag a u s s i a nl a s e rf i e l d ，t h e s u b l u m i n o u s p h a s ev e l o c i t yr e g i o ni sf u r t h e r d e m o n s t r a t e d h o w e v e rt h ed i f f e r e n c eo f p h a s ev e l o c i t yb e t w e e np a r a x i a la n dh i g ho r d e rc o r r e c t e df i e l dw i l le m e r g ew h e nt h e b e a mw i d t h k w 0 3 0 b yu s i n gt e s tp a r t i c l es i m u l a t i o np r o g r a m s ，t h ee l e c t r o n d y n a m i c so b t a i n e du s i n gt h ep a r a x i a la p p r o x i m a t i o n ，t h et h i r d o r d e r , t h ef i f t h - o r d e r , a n dt h es e v e n t h o r d e rc o r r e c t i o n sa r ec o m p a r e d t h er e s u l t sr e v e a lt h a t ，w h e n 砜6 0 ，t h ep a r a x i a la p p r o x i m a t i o nf i e l d i sg o o de n o u g ht or e p r o d u c ea l lt h e e l e c t r o nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h ea b o v er e s u l t ss t r o n g l ys u p p o r tt h ec o n c l u s i o n s o nc a sf r o mo u rp r e v i o u sw o r k f o rat i g h t l yf o c u s e dl a s e rb e a m ，w h i c hu s u a l l ya p p e a r si nu l t r a - i n t e n s el a s e r s y s t e m ，i t sd i a m e t e rc a nb eo ft h eo r d e ro faf e ww a v e l e n g t h s ，t h ee x a c tn o n p a r a x i a l s o l u t i o no fg a u s s i a nb e a mm u s tb eu s e dt od e s c r i b et h ep h ) s i c sm o d e l i no r d e rt o d e m o n s t r a t et h es u b l u m i n o u sp h a s ev e l o c i t ys t r i c t l y , w eu s ea c c u r a t ee x p r e s s i o n so f g a u s s i a n l i g h t b e a m st o i n v e s t i g a t e t h e p h a s ev e l o c i t y d i s t r i b u t i o n s t h e s e e x p r e s s i o n sa r eg i v e ni nt h ea n g u l a r - s p e c t r u ma p p r o a c h t h e r e f o r ea r ew i t l ln oa n y e r r o r t h er e s u l t ss h o wt h e r ea r es t e a d ys u b l u m i n o u sp h a s ev e l o c i t yr e g i o n si na g a u s s i a nl i g h tb e a m ，w h i c hh a st h es i m i l a rc h a r a c t e r i s t i c si ne s s e n c ew i t ht h a to f p a r a x i a lm o d e l e s p e c i a l l yf o r 缸3 0 ，t h er e s u l t sc o i n c i d ew i t he a c ho t h e rv e r y i v 罄 w e l l b ye x p a n d i n gt h ee x a c ts o l u t i o n ，i tc a nb es e e nc l e a r l yt h a tt h ez e r o t ho r d e rt e r m i sj u s tt h ep a r a x i a lo n e ，s ot h ep a r a x i a la p p r o x i m a t i o nf i e l di sg o o de n o u g ht or e p l a c e t h ee x a c tf i e l dw h e nt h eb e a mw i d t hi sl a r g et os o m ee x t e n t r e c e n td e v e l o p m e n t si n l a s e rt e c h n o l o g yh a v ey i e l d e du l t r a - s h o r t ，u l t r a - i n t e n s el a s e rp u l s e s t h ec o m m o n l y a d o p t e dd e s c r i p t i o n f o ral o n gl a s e r p u l s ea p p r o x i m a t i o n w h e r ea l lt h ee m c o m p o n e n t so ft h el a s e rb e a ma r em u l t i p l i e db yac o m m o nt e m p o r a ls h a p ef a c t o rc a n n o tb ea p p l i e dt of e m t o s e c o n dl a s e rp u l s e sb e c a u s ei t s s p a t i a l a n dt e m p o r a l c h a r a c t e r i s t i c si n t e r a c tw i t he a c ho t h e rd u r i n gp r o p a g a t i o n t h ep h a s ev e l o c i t ya n d w a v ep r o p a g a t i o no fs u c hu l t r a - s h o r tl a s e rp u l s eh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h er e s u l t s s h o wt h ep u l s ec 。r r e c t i 。nf a c t 。r 8 一( ，占) 2 h w 0 ( z ) 】2 w o u l dc a u s et h ep h a s e v e l o c i t yg e ts m a l l e r h e r ec 0 0r e p r e s e n t st h ec e n t r a lo s c i l l a t o r yf f e q u e n c y ，a n d 万 t h es p e c t r a lw i d t h f o ra l lu l t r a s h o r t l a s e rp u l s e ，t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fi t s s u b l u m i n o u sp h a s ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o nr e m a i nu n c h a n g e dc o m p a r e dw i t ht h a to f m o n o c h r o m a t i cf i e l d f u r t h e r m o r e ，t h ea r e ao fi t ss u b l u m i n o u sp h a s ev e l o c i t yr e g i o n w i l le n l a r g ed u et ot h ee x p a n d i n go ft h ec u r v e = ct o w a r dt h ei n n e rs i d eo f 以z ) s y n c h r o n o u sa c c e l e r a t i o ni sv e r yi m p o r t a n tf o rt h ed e s i g no fa l la c c e l e r a t o r c o n c e r n i n gl a s e ra c c e l e r a t i o ni nv a c u u m ，t h e r ee x i s t e dt h ef o l l o w i n gf u n d a m e n t a la n d l o n g s t a n d i n gq u e s t i o nw h i c hh a dn o tb e e ns a t i s f a c t o r i l ya n s w e r e d ，t h a ti s “c a naf r e e e l e c t r o ng e tn e te n e r g yg a i no rl o s sw i t hal a s e rb e a mi ni t sf a rf i e l dw h e r et h e i n t e r a c t i o nl e n g t hi su n l i m i t e d ”h e r et h ec r u c i a li s s u ei sj u s tr e l a t e dt ot h ep h a s e v e l o c i t ya n dp e r i o d i c a lf e a t u r eo fo p t i c a lf i e l d s i nt h i st h e s i s ，w ep u te m p h a s i so nt h e r e s e a r c ho fc h a r a c t e r i s t i c so fp h a s ev e l o c i t yi naf o c u s e dl a s e rb e a m t h i sp r o b l e mi s p r o p o s e db yo u rg r o u pf i r s t i ti sv e r ym e a n i n g f u lf o rp r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to f c a sa n do t h e rl a s e r - d r i v e na c c e l e r a t i o ns c h e m e s a l s o ，t os t u d yt h es u b l u m i n o u s p h a s ev e l o c i t yi no p t i c a lf i e l di sm e a n i n g f u la n df u n d a m e n t a lf r o mt h ev i e wo fb a s i c r e s e a r c hi no p t i c a lt h e o r y v 引言 第一章引言 一、强激光技术的发展 早在1 9 1 7 年，爱因斯坦就提出了激光受激发射的基本概念。但是直到1 9 6 0 年，世界上第一台闪光灯泵浦的红宝石激光器才在h u g h e s 研究实验室诞生。第 一台红宝石激光器的研制成功是人类科学史的一项重大发明，不久之后，脉冲宝 石激光器，气体放电的连续氦氖激光器相继在贝尔实验室研制成功 1 。在第一 台激光器诞生后直到上世纪七十年代初的十几年间，激光的用途还比较狭窄，只 是为解决某一问题而找到的解决办法。然而，经过四十多年的不断努力，激光物 理和激光应用的研究已是硕果累累。激光在科研教育、国防军事、工业加工、医 学卫生、通信娱乐等方方面面的应用呈爆炸性的增长趋势。例如：在研究领域， 激光的产生、传输和与物质的相互作用已经成为现代科学研究中极其重要的领 域，在激光与原子、分子、等离子体、凝聚态物质的相互作用的线性和非线性过 程中，新现象、新效应不段涌现。在应用方面，时至今日，与激光相关的技术已 影响了人类生活的方方面面。医学上的激光手术：信息业中芯片制造中的光刻、 信息存储中的光存取；军事上的激光制导和激光武器；通讯业中光纤通讯上的光 源；全息技术中的光源；以及激光度量标准、激光制冷、激光加工、激光材料改 性等等，数不胜数。 人类对激光应用的不断需求同时又进一步促进了激光技术水平的长足发展， 特别是随着近年来新技术革命和新材料的不断涌现，这一原本蓬勃发展的领域更 显繁荣。随之而柬的是新一代激光器的出现，如小型半导体激光器、大型武器级 的化学激光器、i c f 中的超大规模高功率激光器、光学参量振荡器和光学参量放 大器等等，激光技术正向着多波段、超短超快、高能量和高功率等方向迅猛发展。 目前激光波长范围已可以从远红外波段延伸到x 光波段，激光的脉冲宽度也已可 以被压缩到几个飞秒。特别是近年来强激光技术取得了惊人的成果，它正朝着高 能量和高功率两个不同的方向阔步i j 进。其中，高能激光器主要用于军事用途和 工业加工，一般工作于连续波或长脉冲模式，如工业加工中常用的连续波c 吼激 光器。目前高能化学激光器构成了激光武器的主流，其输出可达十几秒时间，单 引言 发输出能量可以达到数十兆焦，已被美国军方用于机载和陆基激光武器系统 2 ， 3 ( 见图1 1 1 ，引自公开报导) ，同时太空激光武器也在积极的发展之中。 图1 1 1 美国陆基和机载高能激光武器 高功率激光技术主要用于实验室研究方面( 下面在我们的论文中，强激光就 特指这种高功率短脉冲激光) ，通过c p a ( c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ) 技术， 目前激光脉冲的峰值功率已经达到了p w 量级，当激光脉冲被聚焦到衍射极限大 小时，峰值功率则可达到t 0 2 3 c 埘2 。回顾激光技术发展的历史( 见图1 1 2 ) 4 6 ， 激光功率的提高经过了两次飞跃阶段：第一次源自于六十年代激光器刚刚出现后 的调q 和锁模技术，另一次是8 0 年代中后期的啁啾脉冲放大技术。采用调q 和 锁模技术使激光功率从k w 量级提高到了g w 量级。但是，激光在介质中传输时， 由于强场效应造成的自聚焦等非线性效应会对介质本身造成损坏，因此，单位面 积激光介质输出的最大功率就必须低于这种介质的破坏阈值。从空间上来说，这 个问题虽然可以通过扩大激光器的输出口径或增多激光器的输出路数来克服，但 是由于技术的原因不可能口径太大和路数太多；由于资金的原因这样大口径的多 路大功率激光器全世界也只有少数几台。因此，采用调q 和锁模技术来继续提高 激光功率的过程几乎徘徊了近2 0 年却没有太大的进展。直到8 0 年代中后期，由 引言 于啁啾脉冲放大技术的出现和发展 7 - 1 7 ，激光功率才又一次出现了飞跃式的进 展，并由此进入了t w 时代，并进一步向p w 进军一提高了大约3 - 4 个量级。 图1 1 2 台式激光系统激光聚焦强度的发展历程 啁啾脉冲放大技术的基本原理如图1 1 3 所示。从宽频带超短脉冲振荡器发 出的超短激光脉冲先通过一个色散延迟光学元件使其脉冲宽度展宽1 0 3 1 0 5 倍， 然后由激光放大器放大，这样光脉冲能有效地从高增益介质中提取能量，放大后 的激光脉冲光强仍低于激光介质的破坏阈值。由于此时的脉冲很宽，再通过一个 共轭色散补偿光学元件，把放大后的激光脉冲再压缩回原来的脉冲宽度。从而大 大提高了聚焦后激光的强度，例如1 9 9 9 年美国利夫摩尔国家实验室( l a w r e n c e l i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 获得的激光强度就高达7 1 0 如1 ；y c m 2 1 3 ，并 在2 0 0 0 年进一步达到了2 x l o “w c g 。目前，t w 台式激光器已经很普遍，除关国 的l l n l 外，英国的卢瑟夫实验室( r a l ) ，法国的罩梅尔实验室( l i m e i l ) ，德国的 、m a x b o r n 实验室和m a x p l a n c k 量子研究所，同本大阪大学激光工程研究所 引言 ( i l e ) ，中国的物理所和中国工程物理研究院等都发展了t w 台式激光器系统。而 且，聚焦光强超过l o ”w c m 2 的激光也可望在近几年出现 1 7 】。 c h i r p e dp u l s e d l p l i f i c a t i o n 图1 1 3 啁啾脉冲放大技术的基本原理示意图 c p a 技术得益于短脉冲发生技术、超高能量存贮材料如钛蓝宝石、钕玻璃和 钇玻璃的发展等。这一系列新技术、新材料在激光器中的应用，使得c p a 激光器 在激光技术发展的过程中 1 8 - 2 0 ，达到了前所未有的功率强度，为我们打开了 一个崭新的物理研究领域 2 1 - 2 7 。另外c p a 技术之所以得以迅速推广，主要是 由于其从概念上能配置于台式激光器系统和现存于各个国家实验室的用于激光 聚变研究的一系列激光器中。长期以来为进行惯性约束聚变( i c f ：i n e r t i a l c o n f i n e df u s i o n ) 的研究，已建立了许多超大规模的激光系统，它们为c p a 技 术应用下产生超强电磁场打下了基础。c p a 技术最初是和传统的激光放大器一同 使用，最近才又拓展到了光学参量脉冲啁啾放大器( o p c p a ) 2 8 3 1 。目前世界 上配备有c p a 超短脉冲太瓦级激光器的实验室已有不少，并且输出激光功率已超 过了数百太瓦。例如：二十世纪九十年代，闩本原子能研究所( j a e r i ) 的激光 器的峰值功率就达到了i o o t w 。最近，c p a 中并入了可变形反光镜，可以将激光 聚焦到1 微米大小 3 2 ，3 3 。现代的激光系统聚焦功率在1 0 2 0 1 j y c m 2 范围。在不 远的将来，c p a 系统将会产生1 0 2 2 w c m 2 的高强度激光。但是，由于放大介质单 位面积能量的饱和及光学元件损伤阈值所施加的影响，台式激光器所能达到的聚 4 引言 焦激光强度是有限的。表1 1 1 给出了有关材料的激光器所能达到的昂一的例 子 5 。理论上，一个放大介质截面为1 0 c m x l o c m 的掺钇玻璃( y b ：g l a s s ) 激光 器可产生高达0 3 e w ( i e w = 1 0 博w ) 的峰值功率，相应的极限聚焦强度约为 1 0 “w c m 21 那么，激光的强度还能提高么? 能提高多少呢? t t a j i m a 和g m o u r o u 3 4 探讨了利用美国的n i f 和法国的l m j 的兆焦耳系统泵浦大型c p a 或 o p c p a 激光系统的可行性。他们认为实现功率为z e t t w a t t ( 1 0 “w ) ，聚焦功率强 度为1 0 ”w c m 2 的激光器在理论上是可行的，至少激光强度为1 0 箝w c m 2 的激光器 的建造是完全可以实现的。 表1 1 1 激光理论峰值极限 二、激光加速技术的发展 超强激光的出现以及对它所带来的一系列极端条件的研究，逐渐形成了- - f 新的学科一强场激光物理学 1 7 。其研究内容非常广泛，包括了强场中的原子物 理学 3 5 4 9 、相对论等离子体研究 5 0 5 2 、惯性约束聚变 5 3 5 5 研究、强场 下的团簇光物理 5 6 5 8 、实验室天体物理学研究 5 9 等诸多热点方向。我们特 别关注的是强场物理研究中的另一个热点，即激光加速粒子的研究。 自从1 9 3 2 年第一台整流倍压加速器在英国问世以来，各种类型的加速器先 后投入运行，其种类已超过2 0 种。加速器的最大输出能量几乎以每1 0 年一个数 量级的速度呈指数增长。然而，随着加速器能量的提高，加速器建造的规模和费 引言 用也飞速增长。例如，目前最大的行波加速器( s l a c ) 长3 2 公里，耗资1 1 亿美 元之多。美国拟建的超导超级对撞机( s s c ) ，其设计周长达9 0 1 6 0 k m ，预计耗资 1 0 0 多亿美元。如此大的建造规模和要求的技术是目前任何一个大国都难以独立 承担的，同时由于传统加速器技术上的局限，美国也不得不将此已经启动的s s c 工程下马。另一方面，高能物理和粒子物理的发展却要求越来越高的加速器能量， 因此仅采用现有的加速器技术难以满足实验的要求，而探索新的加速机制以解决 这个问题便日益受到人们的重视 6 0 。新技术的发展所引起的制造成本的变化决 定了加速器和碰撞机的发展趋向，在以往的发展过程中，随着每一次技术上的突 破，加速器的能量都会呈近指数形式增长，同时新技术使得加速器每单位输出能 量的制造成本有所下降，因此一种旧技术的饱和必将会被随后而产生的新技术所 取代。 到目前为止提出的新加速机制有很多种，其中最引人注目的是利用强激光束 代替目前的高频或微波束实现加速。因为当激光功率密度达到，1 0 2 0 w c m 2 时， 相应的光电场强度高达e 3 x 1 0 7 m v m ，较通常加速器中的加速电场强度( 约 e 2 0 m v m ) 高出百万倍。而且激光聚焦强度为，l o ”c 或者更高的激 光器可望在不久的将来实现 1 6 ，1 7 3 。虽然传统加速器的加速梯度的极限值随驱 动场波长与脉宽的降低有所增加，但是，由于表面热效应所造成的材料损伤使得 加速梯度最高只能达到1 0 0 m v m 左右，故而无法满足现代粒子物理的实验研究 要求。同时，随着激光技术突飞猛进的发展，超强激光的出现使得激光加速研究 中的障碍逐步被扫清，因此利用激光加速电子的加速器新模式越发引起人们的极 大兴趣和广泛重视。 利用激光加速粒子( 主要是电子) 的思想，几乎是在激光器发展的最初阶段就 应运而生，早在1 9 6 2 年就被人提出。此后，随着激光技术的发展，这方面的研 究一直受到人们关注。但其迅速发展却是在八十年代后，特别是c p a 技术出现后。 到目前为止，人们已经提出了大量的加速方案 6 l ，6 2 。例如，逆契伦柯夫加速 ( i c a ：i n v e r s e c h e r e n k o va c c e l e r a t i o n ) 6 3 6 5 、逆自由电子激光加速( i f e l a ： i n v e r s ef r e e e l e c t r o n l a s e ra c c e l e r a t i o n ) 6 6 7 1 ，等离子体尾场加速( l w f a ： l a s e rw a k e f i e l da c c e l e r a t i o n ) 7 2 - 7 6 和拍波加速( b v a ：b e a t w a v e a c c e l e r a t i o n ) 7 7 8 0 。逆轫致辐射加速( i b e a ：i n v e r s eb r e m s s t r a h l u n g 6 引言 e l e c t r o na c c e l e r a t i o n ) 8 1 、锥形光场加速 8 2 8 4 、交叉光束加速 8 5 8 7 】 等等。其中，在激光一等离子加速机制中，加速梯度可以高达约1 0 0 6 e v m ，实验 中电子已可以被加速到超过2 0 0 m e v 的最高能量 8 8 ，8 9 。虽然这些加速方案五花 八门，但按激光场与媒介的关系大致可以分为以下三类：远场加速，即采用 远离介质或任何边界条件的激光场进行电子的加速( 此处远场与光学中远场的概 念是不同的) ，例如在真空中不受约束的激光光束对自由电子的加速；近场加 速，即采用靠近介质的激光场，加速电场主要是利用激光场的纵向分量，类似于 在波导管中的微波束对电子的加速；媒介加速，即采用在介质中的激光场， 例如在等离子体或气体中的激光束对电子的加速。 自从激光加速的思想提出以来，有关的理论研究就没停止过，特别是近年来， 无论从量子理论 9 0 还是经典理论上 9 1 - 9 5 ，对激光场与带电粒子相互作用的 研究都取得了很大进展。在理论研究的同时，目前也开展了一些实验工作。例如 逆契伦柯夫加速 6 4 、逆自由电子激光加速、等离子体加速 9 6 9 8 等等。利用 逆契伦柯夫加速已经获得了3 1 m e v m 的加速梯度；等离子体加速最好的实验记录 是将电子加速到2 0 0 m e v 量级，并且最近获得了接近单能的电子束输出 8 8 ，8 9 ， 9 6 9 8 。但是总的来说，除美、曰、法等国的少数实验室直接观察到激光对电子 的加速外，绝大多数的工作仍处在理论探索方案可行性阶