激光尾场下光子的加速效应及其优化

It is meaningful to study the effect of photon acceleration (frequency shift of laser pulse) due to its broad application prospects to the diagnosis of laser wake-field accelerators, high frequency radiation source, etc. In this proposed project, we plan to study the photon acceleration process in large-amplitude wake-field driven by strong laser pulse, and the research topics mainly include three aspects. 1) We will study the trapping and acceleration processes of photons in large-amplitude laser wake-field by means of the Hamiltonian dynamics of photons, and analyze the most beneficial conditions for photon acceleration. 2) By extending the single photon dynamics to laser pulse, some phenomena related to photon acceleration will be studied, for example the compression and spectrum splitting of laser pulses, etc. 3) By optimizing the parameters of laser pulse and plasma, we will study the possible methods of amplification of pulse frequency shift, for example by increasing the accelerating gradient of wake-field or photon accelerating distance, to obtain high frequency radiation source. In our proposed research, the photon theory will be used to describe the evolution of laser pulse, and research results will be compared with the Maxwell wave theory. Meanwhile, we will use the numerical simulation to verification the analytical results.

光子加速(脉冲频移)效应在大振幅激光尾场的诊断、产生高频辐射源等方面有着重要的应用前景，因此对光子加速的深入研究是非常有意义的。本项目的研究内容是利用理论分析和数值模拟研究大振幅激光尾场下的光子加速效应，主要的研究内容和目标为：1) 基于光的粒子特性，利用光子理论研究在大振幅激光尾场下的光子捕获与加速机制，得到最有利于光子加速的条件；2) 由单光子模型推广至整个激光脉冲，研究与光子加速有关的现象，例如激光脉冲在尾场下的压缩、频谱演化与分裂等，并对实验研究提供有效的参数和理论依据；3) 对激光与等离子体的参量进行优化，并仔细研究可能会放大脉冲频移量的方法和机制，从而获得更高频的辐射源。我们的研究方法除了利用传统的Maxwell波动理论结合流体力学外，还将重点采用光的粒子理论来描述激光脉冲，并将对两种方法的结果对比；同时，利用数值模拟对理论研究结果进行验证。

等离子体中的光子加速是激光-等离子体粒子加速中的一个重要问题，它在激光尾场诊断以及产生高频辐射源等方面有着重要的应用前景。报告中主要研究了两种基于激光-等离子体相互作用的光子加速机制：激光尾场下的绝热光子加速和相对论飞镜加速。.报告中我们应用光子的哈密顿动力学理论研究了光子绝热加速过程。考虑将入射光子以一定的小入射角注入激光尾场，当尾场相速度一定时，通过对入射角的调节可以更方便的控制尾场传播方向上光子的捕获并增大加速距离，从而获得更好的加速效果。我们重点研究了光子的捕获条件和最大加速频率；并对光子的加速梯度和失相长度，以及驱动脉冲和等离子体的各参数对加速过程的影响做了仔细的讨论；最后对尾场的有限横向宽度对光子加速的限制做了分析。研究结果表明，在选择合适参数的情况下，斜入射方式对光子的绝热加速是有利的，该方法有可能获得更高频的加速光子。.对于飞镜加速的研究，我们提出了一种在密度上升的非均匀等离子体中激发产生的超光速飞镜机制。超光速飞镜可以产生许多新的现象：首先，它可以像普通相对论飞镜一样部分反射并压缩入射光，以获得高频超短的反射光脉冲；其次，由于飞镜的运动速度是超光速的，这将导致反射光会刺透镜面，且尾随飞镜一起向前传播，同时反射光的形状将发生翻转；第三，超光速飞镜的透射率大于一，这说明透射光可以从飞镜获得额外的能量，这些能量必须由尾场提供；最有意思的是，如果在反射过程中飞镜前表面反射点的速度从超光速降低到小于光速，那么反射光会发生折叠从而减少了周期数，使得反射光将变得更短。因此，超光速飞镜可以提供一种潜在的产生高频超短少周期(甚至单周期)光源的方法。