超强超快X射线饱和吸收研究

X-ray saturable absorption has attracted more and more interest with the application of x-ray free electron laser, which is of great significance for the research field such as advanced laser technique, inner-shell physics of atom and molecule and non-linear optics. In this work, a theoretical model for saturable absorption of ultra-intense and ultra-fast x-rays will be established by solving the coupled radiative transport equation and rate equation. The physical mechanism of x-ray saturable absorption in rare atomic gas and dense Al and Fe will be investigated in detail. We focus on the problem of self-consistent calculation of free electron distribution function which will be implemented by solving the coupled rate equation and Fokker-Planck equation. The influence of non-equilibrium free electrons on population distribution, x-ray emission spectra and saturable absorption will be studied. Double Auger decay rates of lowly charged rare atoms will be calculated and its influence on saturable absorption will be studied systematically. Highly efficient numerical method will be developed to overcome the challenge of the calculation for ultra-intense and ultra-fast x-ray pulse with high-Z atom interaction. This work is helpful for analysis and design of relevant experiments on x-ray free electron laser.

随着X射线自由电子激光器的应用，X射线饱和吸收的研究引起了极大的关注，它对现代激光技术、原子内壳层物理和非线性光学等领域具有非常重要的意义。本项目拟耦合求解辐射输运方程和速率方程，发展超强超快X射线饱和吸收的物理模型，深入研究稀有原子气体和铝、铁等稠密物质中X射线饱和吸收的物理机制。重点解决速率方程和Fokker-Planck方程的耦合计算问题，实现自由电子分布函数的自洽计算，并就自由电子的非平衡分布对X射线饱和吸收的影响展开研究。精密计算空穴态原子双俄歇衰变速率等参数，系统考察其对饱和吸收的影响。发展高效的大规模数值计算方法，突破高Z元素的计算挑战。本项目对X射线自由电子激光相关实验的分析和设计具有理论指导价值。

随着X射线自由电子激光器的应用，X射线与物质相互作用的研究引起了极大的关注，它对现代激光技术、原子内壳层物理和非线性光学等领域具有非常重要的意义。本项目的主要研究内容包括：. 1.通过耦合求解速率方程和Fokker-Planck方程，发展了超强超快X射线与等离子体相互作用的物理模型，实现了自由电子分布函数的自洽计算。以氖等离子体为例，系统研究了自由电子的非平衡演化特点，给出了特征条件下自由电子的弛豫时间，并检验了常用模型中采用近似方法的适用性。. 2.系统研究了重元素多空心态的辐射特性。计算得到了不同电荷态银离子的单、双、三和四空心态的基本原子参数，并系统研究了稠密银等离子体多空穴态原子的粒子数分布和发射光谱规律。发现在特定的条件下，类氖附近的银离子的三空心态发射谱强度甚至超过了单、双空心态发射强度。. 3.发展了高效的大规模数值计算方法，突破了高Z元素的计算挑战。计算表明，该方法能兼顾计算精度和时间，适用于中高Z等离子体粒子数分布和辐射特性的计算，能用于相关实验结果的光谱诊断。. 本项目得到的主要结论，包括自由电子非平衡演化的物理模型和计算程序、多空心态原子的衰变特性、粒子数分布和辐射光谱等，对X射线自由电子激光与原子气体和固体相互作用的相关实验的分析和设计具有理论指导价值。