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激光尾波场电子加速及新型辐射源（特邀）

中国激光 2024年第1期 52-76页

作者：余昌海秦志勇张志钧刘建胜上海师范大学物理系中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室

受益于超短超强激光技术的持续迅猛发展，飞秒强激光为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件，使激光物质相互作用进入到一个极端非线性的强场超快新范畴，催生了大量新原理、新现象，推动了技术变革。飞秒强激光驱动的等离子体尾... 详细信息

受益于超短超强激光技术的持续迅猛发展，飞秒强激光为人类提供了全新的实验手段与极端的物理条件，使激光物质相互作用进入到一个极端非线性的强场超快新范畴，催生了大量新原理、新现象，推动了技术变革。飞秒强激光驱动的等离子体尾波场加速原理是一种具有超高加速梯度的粒子加速新原理，该技术的加速梯度可达100 GV/m，相比于传统射频加速器提高了3个数量级以上，可在厘米量级的加速长度内获得GeV量级的高品质高能电子束，极大地降低了加速器的成本，为发展新一代粒子加速技术和新型超快辐射源提供了新机遇和新途径。从飞秒强激光驱动等离子体尾波场中的电子注入、能量啁啾控制和高品质电子束产生以及基于高品质电子束的betatron X射线辐射、高能伽马射线和小型化自由电子激光这几个方面介绍了激光等离子体尾波场电子加速的若干主要研究进展，并对未来进行了展望。

关键词：激光光学激光尾波场电子加速能量啁啾 betatron辐射逆康普顿散射自由电子激光

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日侧伴随电子加速的离子上行事件的分布特征

地球物理学报 2023年第5期66卷 1829-1846页

作者：余尧胡泽骏蔡红涛武汉大学电子信息学院武汉430072 中国极地研究中心自然资源部极地科学重点实验室上海200136 浙江大学海洋研究院浙江舟山316021

本文基于2005年1月和7月DMSP F13卫星的观测数据,研究了日侧伴随电子加速的顶部电离层离子整体上行事件的分布特征.结果表明,离子上行主要发生在磁纬70°~80°MLAT范围内,加速电子磁层源区对应低纬边界层和等离子体片边界层;冬季上行存... 详细信息

本文基于2005年1月和7月DMSP F13卫星的观测数据,研究了日侧伴随电子加速的顶部电离层离子整体上行事件的分布特征.结果表明,离子上行主要发生在磁纬70°~80°MLAT范围内,加速电子磁层源区对应低纬边界层和等离子体片边界层;冬季上行存在明显的"晨昏不对称性",主要发生在晨侧(06∶00—09∶00 MLT),夏季上行主要发生在磁正午(09∶00—15∶00 MLT),以磁正午为中心近似呈对称分布,并且冬季离子上行发生率显著高于夏季;离子上行发生率在中等地磁活动时期显著增强,上行区域随着地磁活动的增强向低纬度方向扩展;行星际磁场Bx>0时,对应等离子体片边界层13∶00—18∶00 MLT和06∶00—09∶00 MLT区域内上行发生率增加,行星际磁场By的方向会导致上行高发区以磁正午为中心发生反转,行星际磁场南向时,上行发生率增强;冬季离子上行平均速度高于夏季.

关键词：电子加速离子上行地磁活动行星际磁场

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激光尾波场电子加速及新型辐射源

中国激光 2023年

作者：余昌海秦志勇张志钧刘建胜中国科学院上海光学精密机械研究所上海师范大学

受益于超短超强激光技术的持续迅猛发展，飞秒强激光为人类提供了前所未有的全新实验手段与极端物理条件，将激光物质相互作用带到一个极端非线性的强场超快新范畴，催生了大量新原理、新现象的发现和技术的变革。飞秒强激光驱动的等离... 详细信息

受益于超短超强激光技术的持续迅猛发展，飞秒强激光为人类提供了前所未有的全新实验手段与极端物理条件，将激光物质相互作用带到一个极端非线性的强场超快新范畴，催生了大量新原理、新现象的发现和技术的变革。飞秒强激光驱动的等离子体尾波场加速是一种具有超高加速梯度的粒子加速新原理，其加速梯度可达100 GV/m，相比于传统射频加速器，提高了3个量级以上，可在厘米量级的加速长度内获得Ge V量级的高品质高能电子束，从而可极大地降低加速器的规模和成本，为发展新一代粒子加速技术和新型超快辐射源提供了新机遇和新途径。本文从飞秒强激光驱动等离子体尾波场中电子注入、能量啁啾控制和高品质电子束的产生以及基于高品质电子束发展betatron X射线辐射、高能伽玛射线和小型化自由电子激光几个方面介绍了若干前沿物理的主要进展和未来的展望。

关键词：激光尾波场电子加速能量啁啾 betatron辐射逆康普顿散射自由电子激光

从太赫兹波到光波驱动的集成电子加速器研究进展

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中国激光 2023年第17期50卷 96-112页

作者：曾雨珊余谢秋田野中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室上海201800 中国科学院大学材料科学与光电子工程中心北京100049

粒子加速器极大地推动了近代科学的发展。目前成熟的射频加速方案受限于不足100 MV/m的加速梯度,面临造价高、占地面积广、建设周期长等挑战,同时也限制了其在一些领域的应用和推广。因此,寻求新型的电子加速技术已成为加速器领域的重... 详细信息

粒子加速器极大地推动了近代科学的发展。目前成熟的射频加速方案受限于不足100 MV/m的加速梯度,面临造价高、占地面积广、建设周期长等挑战,同时也限制了其在一些领域的应用和推广。因此,寻求新型的电子加速技术已成为加速器领域的重要研究方向。在更高频率的太赫兹和光频波段,太赫兹波导加速和电介质激光加速技术能够提供高达GV/m量级的加速梯度,近年来已相继实现了对非相对论和相对论电子的加速及相空间操控(如脉宽压缩、空间聚焦等),并演示了级联加速方案,为实现小型化的集成加速器奠定了基础。未来,集成加速器有望在实验室范围实现大型射频粒子加速器的功能,并引起物理、化学、生命科学、医学等多学科领域的突破。为更好地把握集成电子加速器的发展,梳理了从太赫兹波到光波驱动的电子加速研究进展,介绍了相干电子源和束流控制的相关技术,并进一步展望了新型集成加速器的研究和应用。

关键词：太赫兹电子加速电介质激光加速集成加速器

强激光与高密度气体相互作用中电子和离子加速的数值模拟

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物理学报 2006年第5期55卷 2381-2388页

作者：陈民盛政明郑君张杰中国科学院物理研究所光物理重点实验室北京100080

在现有的一维粒子模拟程序的基础上发展了带光电离和碰撞电离及蒙特卡罗两体碰撞的模拟程序(1D PIC-MCC).用此程序模拟研究了短脉冲激光与He气靶相互作用时电子和离子的加速过程.研究表明当强激光与过临界密度的微米厚度的平面靶相互作... 详细信息

在现有的一维粒子模拟程序的基础上发展了带光电离和碰撞电离及蒙特卡罗两体碰撞的模拟程序(1D PIC-MCC).用此程序模拟研究了短脉冲激光与He气靶相互作用时电子和离子的加速过程.研究表明当强激光与过临界密度的微米厚度的平面靶相互作用时,靶前表面物质将被激光脉冲前沿迅速离化;新生的电子被激光场有质动力加速成为高能电子,这些电子穿入到靶内,通过电子碰撞电离离化靶内物质;一部分高能电子穿透靶后,会在靶的后表面形成强的电荷分离场,该场迅速离化靶后表面物质,同时使得后表面离子得到加速.部分穿透靶的超热电子将被电荷分离场重新拉回靶内,在靶的前后表面振荡.一些振荡电子在此过程中得到电荷分离场加速,离开前表面,在前表面也形成电荷分离场,使前表面离子得到加速.

关键词：激光等离子体光电离和碰撞电离电子加速离子加速

相对论飞秒激光脉冲在真空中对预加速电子的加速

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物理学报 2005年第9期54卷 4203-4207页

作者：何峰余玮徐涵陆培祥激光技术国家重点实验室华中科技大学武汉430074 中国科学院上海光学精密机械研究所强光光学实验室上海201800

通过求解电子运动的相对论方程,发现预加速电子在超强超短激光脉冲的作用下可以获得很高的能量增益.飞秒激光脉冲的上升沿在焦点附近的区域有效加速电子后,电子和光脉冲一起传播一段距离(远大于瑞利长度)后,激光强度变得很弱,从而使脉... 详细信息

通过求解电子运动的相对论方程,发现预加速电子在超强超短激光脉冲的作用下可以获得很高的能量增益.飞秒激光脉冲的上升沿在焦点附近的区域有效加速电子后,电子和光脉冲一起传播一段距离(远大于瑞利长度)后,激光强度变得很弱,从而使脉冲下降沿对电子的减速作用可以忽略不计,因此电子只经历加速过程而没有被减速,当电子和光脉冲分离时,电子获得了很高的能量增益.当光强为1019W/cm2,电子的初始能量为MeV量级时,电子的能量增益可以达到0.1GeV.进一步讨论了电子的能量增益与电子的初始条件与激光脉冲的参数之间的关系.

关键词：电子加速飞秒激光脉冲能量增益飞秒激光脉冲电子运动加速过程相对论真空超短激光脉冲激光强度瑞利长度

激光作用下纳米限域介质材料中的电子加速过程

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物理学报 2011年第5期60卷 592-599页

作者：夏志林武汉理工大学材料科学与工程学院武汉430070 湘潭大学低维材料及其应用技术教育部重点实验室湘潭411105

采用蒙特卡罗方法模拟了1064nm,GW/cm2级脉冲激光辐照下,纳米尺度材料中电子迁移及加速过程.电子在激光场中迁移的过程涉及晶格散射、表面散射以及碰撞电离等作用.结果表明材料的尺度小到一定程度后,表面散射作用主导电子散射过程,小尺... 详细信息

采用蒙特卡罗方法模拟了1064nm,GW/cm2级脉冲激光辐照下,纳米尺度材料中电子迁移及加速过程.电子在激光场中迁移的过程涉及晶格散射、表面散射以及碰撞电离等作用.结果表明材料的尺度小到一定程度后,表面散射作用主导电子散射过程,小尺寸限制效应表现明显,电子很难有效地吸收激光能量.研究结果对分析具有纳米尺度微结构材料的激光损伤行为提供了依据.同时,根据该小尺寸限制效应可以设计出具有新型纳米微结构的高激光损伤阈值薄膜.

关键词：激光辐照小尺度效应电子加速蒙特卡罗模拟

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激光脉冲宽度对有质动力加速电子的影响

光学学报 2005年第11期25卷 1506-1509页

作者：张淼余玮林尊琪中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理国家实验室上海201800 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室上海201800

基于真空中单电子运动模型,编程计算得到了高斯激光脉冲与初始位于激光传播轴上电子的相互作用结果。不同激光参量条件下,得到了电子的能量增益与激光强度、焦斑大小和脉冲宽度关系。结果表明,高斯激光脉冲焦斑较大时,电子没有明显的能... 详细信息

基于真空中单电子运动模型,编程计算得到了高斯激光脉冲与初始位于激光传播轴上电子的相互作用结果。不同激光参量条件下,得到了电子的能量增益与激光强度、焦斑大小和脉冲宽度关系。结果表明,高斯激光脉冲焦斑较大时,电子没有明显的能量增益,高斯激光脉冲焦斑太小时,电子也没有明显的能量增益。电子的能量增益有一个最佳焦斑大小。在相同激光强度下,电子能量增益的最佳焦斑大小随脉冲宽度的增大而增大,但最佳焦斑大小与脉冲宽度的比值基本上是不变的。

关键词：激光光学电子加速有质动力单电子运动模型

磁场重联中电子加速问题的物理分析和数值研究

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地球物理学报 2006年第4期49卷 936-942页

作者：丁健李毅王水中国科技大学地球和空间科学学院合肥230026

观测表明耀斑中电子加速发生在软X射线耀斑环上方的磁重联区域.在重联电流片中被super-Dreicer电场直接加速似乎是产生能量在10keV^10MeV之间高能电子的最直接的方式.本文的结果证明纵向电磁场可以有效地将电子“锁”在重联电流片上,使... 详细信息

观测表明耀斑中电子加速发生在软X射线耀斑环上方的磁重联区域.在重联电流片中被super-Dreicer电场直接加速似乎是产生能量在10keV^10MeV之间高能电子的最直接的方式.本文的结果证明纵向电磁场可以有效地将电子“锁”在重联电流片上,使得横向电场得以直接加速电子.对于解释产生相对论性粒子的脉冲式耀斑,这可能是一个有效的机制.

关键词：磁场重联试验电子电子加速横向电场