圆偏振强激光驱动相对论飞镜研究

通过理论和数值模拟分析研究圆偏振超短超强激光脉冲与纳米薄膜靶相互作用产生相对论飞镜，以及探测激光在飞镜表面的相干汤姆逊散射过程。研究主要内容为：1、纳米超薄靶中的电子如何被圆偏振激光稳定地加速，从而得到高质量的相对论飞镜的机制；2、分析该机制中驱动激光和靶参数的依赖关系，深入了解相对论飞镜的演化特性；3、对相对论飞镜反射性能的解析，从理论上详细研究相干汤姆逊散射效应，优化参数，寻求得到单色高频脉冲的方案；4、用多维模拟研究圆偏振激光驱动的相干汤姆逊散射，寻求产生高质量的X射线源的方案。开展这一方向的专门研究，不仅有助于揭示这种新型X射线源机制的物理本质，而且为以后的实验实施提供理论依据和指导作用，具有重大的实用价值和潜在的经济效益。

作为激光与高能粒子相互作用产生高能辐射的重要机制，圆偏振激光驱动的相对论飞镜能够有效保持电子束的高密度和低能散，从而得到高品质的高频辐射。对该机制的理论研究的难点在于电子层和离子层都较薄，电子束容易失去离子对它的束缚，从而使得电子在激光场中的运动非常剧烈。然而这种剧烈运动与单电子在光场中的运动也不同，较单电子运动行为更为复杂。在本课题中我们通过采用发展的超薄电子模型和粒子模拟方法研究飞镜的运动规律，研究了激光偏振态以及激光啁啾对电子束能散度和密度的影响。通过优化激光脉冲参数，可以得到单能性和反射率较高的相对论飞镜。在此基础上，本课题还研究了汤姆逊背向散射谱对飞镜能谱的依赖关系，通过控制用激光参数控制飞镜能谱，可以得到可控的高频辐射。这种三者依赖的关系如果反推回来，我们证明了通过汤姆逊背向散射能谱可以精确测量驱动激光的载波包络相位，从而为高能激光的测量提供了一种准确方便的途径。激光驱动的相对论飞镜并不局限于和超薄纳米靶相互作用，我们还研究了激光和微米固体靶相互作用，并且得到了分层的质密电子束。此外，本课题还对电子束对激光能量的吸收效率，电子束微结构的辐射特性进行了分析。以上相关研究较全面的完成了本课题的既定目标，较为详细的阐述了相对论飞镜的产生机制和相关特性，为产生高频辐射提供了理论指导，提供了可靠的应用前景，为以后的实验实施起到了指导作用。