随着强激光技术的飞速发展,利用激光的超强电磁场来加速带电粒子(主要是电子)的研究受到了人们的广泛关注。本论文集中研究真空激光加速中的有质动力加速机制(PAS:Ponderomotive Acceleration Scenario)。PAS通常指如下的相互作用过程:在真空中强激光脉冲在焦斑区追上慢电子群,相互作用并加速其中的部份电子。本文系统的研究了PAS的电子动力学特性和加速特性,分析了PAS加速的物理机理。目前唯一证实了真空激光加速的实验即是通过PAS加速机制实现的。该加速机制方案设计和实验装置都相对比较简单,容易在实验上实现。PAS的研究是激光加速研究的一个重要分支,在理论和应用两方面都有重要的意义。PAS的加速机理在于被加速电子在激光场中所经历的加速阶段和减速阶段的不对称性:与脉冲上升沿相互作用的加速阶段发生在激光焦斑区附近的强光场区,而与脉冲下降沿相互作用的减速阶段发生在焦斑区后强度相对较弱的光场区(光束的衍射效应)。因此电子在与激光脉冲相互作用的过程中获得净能量增益。本论文通过三维计算机模拟程序求解相对论Newton-Lorentz运动方程来分析有质动力加速过程中电子在激光场中的动力学行为,探讨PAS的物理特性。我们的研究证明了PAS加速机制可以实现真空激光加速电子(在一定条件下真空中慢电子可以被加速到MeV量级,并得到与实验相符的结果)。结合CAS加速机制(该加速机制利用真空中传播的聚焦光束存在的低相速度区域,配合以较强的纵向电场,形成天然加速通道实现真空中的快电子加速),我们可以得到结论:自由电子(快电子或慢电子)与激光场发生净能量交换是完全可能的,有力的说明了所谓的Lawson-Woodward定理具有极大的应用局限性。同时我们从理论上分析了有质动力势模型,包括非相对论情况下和相对论情况下的有质动力势模型,并讨论了这些理论模型的适用范围;同时也基于有质动力势模型给出了PAS相关特性的物理解释。通过理论分析和系统的模拟计算,本论文研究了PAS的一系列加速特性:如电子束团在径向上的散射呈现各向同性的特点(在激光强度不是很大的条件下);出射电子的能量分布和散射角分布比较弥散;高能部分的出射电子产额比较低等。此外,在本论文中我们还重点研究了真空激光加速的一个关键问题:有质动力加速电子的定标关系,得出被加速电子的最大输出能量与激光强度和激光腰宽成正比,与激光脉冲宽度成反比。并基于光场的有质动力势模型对这一由模拟计算总结出来的定标关系给出了物理解释。我们还对PAS与CAS这两种真空激光加速机制进行了比较。此外,我们还研究了真空激光加速的另一个重要问题:被加速电子的出射能量和散射角度的关联。通过数值模拟发现了在PAS出射电子的能量-角度关联谱中存在分叉现象:即相同能量的出射电子可能分布在两个不同的散射角上。基于对模拟数据的分析及光场的有质动力势模型对该现象给出了物理解释。上述研究不仅可以帮助我们更加深入地了解PAS的物理特性,与我们对CAS的研究相辅相成完善了对真空激光加速的理论研究;而且也可以为将来进一步的实验研究提供直接的理论指导和有用的参考数据。
