【摘要】：激光的發(fā)明為科學技術發(fā)展提供了強有力的研究工具。強激光與物質(zhì)相互作用時,物質(zhì)中的分子和原子將發(fā)生電離,整個物質(zhì)形態(tài)呈現(xiàn)出等離子體狀態(tài),激光等離子體物理應運而生。近年來,隨著激光技術的不斷發(fā)展,激光等離子體領域涉及了慣性約束聚變、高次諧波輻射、電子離子加速等多個研究方向,其應用前景涉及了能源、醫(yī)療、加速器和診斷探測等。激光等離子體中物理過程的豐富多樣性以及其應用前景的廣泛性,使得越來越多科研工作者投入到該領域的工作中來。當激光的功率小于PW,聚焦功率密度小于10~(22)W/cm~2時,激光與靶作用主要涉及到經(jīng)典多體問題、經(jīng)典電動力學和電離理論。隨著10PW激光器的建造和應用,量子場論也將進入激光等離子體領域。量子電動力學(QED)理論描述了電磁相互作用,是量子場論中最成熟的理論,也是目前最為精確的理論之一。量子電動力學的引入可以為激光等離子體領域解決輻射阻尼問題和新粒子的產(chǎn)生問題。本文利用經(jīng)典電動力學和量子電動力學相結(jié)合的粒子模擬程序(PIC)研究了超強激光和固體靶相互作用中正負電子對的產(chǎn)生過程,主要內(nèi)容分為以下三個方面:1.研究了單束10PW激光和高密度固體靶相互作用中正負電子對的產(chǎn)生,以及影響正負電子對產(chǎn)生的因素。首先,我們利用不同脈寬的線偏振激光和不同橫向尺度的靶相互作用,發(fā)現(xiàn)當激光脈寬較小時,橫向尺度接近焦斑大小的靶中能產(chǎn)生較多的正負電子對;當激光脈寬較大時,橫向尺度較大的靶能產(chǎn)生較多的正負電子對。而正電子的角分布不受激光脈寬的影響,2μm的靶中產(chǎn)生的正電子的準直性最好。其次,我們研究同樣能量的圓偏振激光和固體靶相互作用時,發(fā)現(xiàn)圓偏振激光驅(qū)動下正電子的產(chǎn)生時間和線偏振相比有了明顯的推遲;當激光脈寬較小時,圓偏振中正電子的產(chǎn)量小于線偏振中正電子的產(chǎn)量;當激光脈寬較大時,兩者產(chǎn)量相當。圓偏振激光驅(qū)動下,靶的橫向尺寸對于正電子的產(chǎn)量影響較小。最后,我們提出了有效電子輻射標記法,并根據(jù)電子平均能量的空間分布和有效電子狀態(tài)輻射信息分析得出:靶前電子由于激光偏振效應導致加熱機制的不同是兩者正負電子對產(chǎn)生過程不同的主要原因。我們根據(jù)不同的激光偏振,設計了不同靶前結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了正負電子對產(chǎn)額的最大化。2.研究了不同偏振的超強激光和固體靶相互作用中正負電子對的產(chǎn)生和隨后的級聯(lián)效應。首先,在程序中增加了QED參數(shù)的輸出和粒子的代次信息。其次,我們利用相關粒子χ值的空間分布,分析了激光偏振效應對光子數(shù)密度和正電子數(shù)密空間分布的影響,初步定性分析了次級粒子對于QED級聯(lián)的貢獻。發(fā)現(xiàn)由于QED級聯(lián)效應,激光偏振影響了激光打洞過程,形成了不同的打洞深度和打洞形狀。隨后,根據(jù)粒子的級聯(lián)代次,繪制了級聯(lián)代次譜,根據(jù)級聯(lián)代次譜的形狀區(qū)分了強級聯(lián)和弱級聯(lián)過程,并且定義了級聯(lián)深度。從定量角度,區(qū)分了靶電子和正負電子對對于QED過程的貢獻,以及激光偏振對于QED級聯(lián)過程的影響。最后,研究了在不同的激光偏振驅(qū)動下模擬維度對于正負電子對產(chǎn)生的影響。3.我們研究了雙束相向傳播的激光和薄膜固體靶相互作用中正負電子對的產(chǎn)生。我們首先研究了固體靶的密度對正負電子對產(chǎn)額的影響,通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)當?shù)入x子體的初始密度處于200～280n_c時,正負電子對的產(chǎn)額最高。此時,激光能穿透等離子體形成穩(wěn)定的駐波場。其次,在最優(yōu)密度的條件下,我們研究了激光脈寬和頻率對于正負電子對產(chǎn)額的影響。當激光脈寬較短時,倍頻激光能較早地穿透等離子體,形成穩(wěn)定的駐波場,此時正負電子對的總數(shù)目最高;當激光脈寬較長時,基頻激光雖然穿透等離子體較晚,但是由于較大的矢勢能將駐波場中的電子加速到更高的能量,會使得正負電子對的數(shù)目達到最高。
【圖文】：

1 與強激光等離子體相關的物理領域之間的關系。圖片來自文1 The connection between different fields related to laser plasma從能量尺度來簡單回顧下激光等離子體物理的發(fā)展歷帶電粒子在激光場中所獲得的能量由激光強度決定。

2激光技術和年份之間的關系
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN24;O53

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本文編號：2648975