强场相对论条件下相干硬X射线光子的产生及传播效应研究

Achieving high efficiency coherent X-ray radiation at increasing photon energy is a long-standing goal and a leading research field in X-ray science. The ionization and harmonic radiation process during the interaction of a strong laser field with an atomic or molecular system is a promising way to produce coherent extreme-ultraviolet and soft X-ray radiations. Currently, the highest photon energies of coherent X-ray radiation achieved are in the order of magnitude of hundreds electronvolts. Further promotion of the photon energies into the hard X-ray region will be limited by relativistic effects, such as the relativistic drift of the electron wave packet along the propagation direction caused by the magnetic component of the strong laser field. Based on our previous studies on the interaction of ultraintense and ultrafast laser fields with matter, in this project, theoretical and numerical methods for dealing with the relativistic dynamics of strong field induced ionization and radiation processes will be developed and improved. By solving numerically the quantum mechanical equations for the relativistic motion of electron wave packets in single atomic or molecular systems, we will give deep insights into the dynamics of the electron wave packets and the radiation processes of high energy X-ray photons under strong relativistic laser fields, and obtain X-ray radiation with photon energies of the order of magnitude of tens KeV. The propagation effects, such as absorption, dispersion and phase mismatching, will also be investigated by use of the wave equations discribing the propagation of the strong laser field and the harmonic radiation in a macroscopic medium, and ways to extend photon energies and to increase photon yields of the hard X-ray radiation will be proposed.

在尽可能高的光子能量范围内获得高增益的全相干X射线激光辐射是X射线科学领域的一个长期研究目标，也是当前国际上的热门课题。利用强激光场与原子分子体系相互作用时的电离和谐波辐射过程可以获得相干性能较好的极紫外至软X射线辐射。但是，要想进一步提高辐射光子的能量至硬X射线波段则会受到强场相对效应的限制。本项目在已有的研究超强超快激光与物质相互作用基础上，发展和完善处理相对论强场激光动力学过程的相关理论和数值计算方法，通过求解描述电子波包相对论运动的量子体系状态方程和描述辐射场在宏观介质中传播过程的电磁场波动方程，对强场相对论条件下量子体系电子波包的动力学演化特性和高能X射线光子辐射特性进行深入研究，获得光子能量在10KeV附近的相干硬X射线辐射；并且通过对辐射场在宏观介质中传播效应的研究，揭示吸收、色散以及相位失配等因素对光子宏观辐射特性的影响，提高X射线光子的能量及其宏观辐射效率。

在尽可能高的光子能量范围内获得高增益的全相干X射线激光辐射是X射线科学领域的一个长期研究目标，也是当前国际上的热门课题。利用强激光场与原子分子体系相互作用时的电离和辐射过程可以获得相干性能较好的极紫外至软X射线辐射。.本项目发展和完善了处理强场超快激光动力学过程的相关理论和数值计算方法，通过求解量子体系的状态方程以及辐射场在宏观介质中传播的波动方程，对强场条件下量子体系中的吸收、电离、解离、高能X射线光子辐射、宏观传播效应等动力学过程进行了研究。.首先，我们利用强场自由电子激光对双原子分子体系的内层激发和分子的解离作用，获得了谱线宽度接近测不准关系极限的全相干X射线激光。我们对弱相对论条件下强场激光与具有高电荷态的离子相互作用过程中电子波包的动力学演化及光子辐射特性做了进一步研究。利用单电子近似和软核库仑势形式，在与氙的正40价离子具有相同电离势能的单个高电荷态粒子体系中获得了最高能量在3KeV左右的相干X射线光子辐射。另外，我们通过联立求解描述微观体系含时演化过程的密度矩阵方程组与描述激光载波场在宏观介质中传播演化过程的麦克斯韦方程组，对强场超快双光子吸收和辐射动力学演化过程及其在宏观介质中的传播效应进行了研究，发现了泵浦脉冲的失谐量以及宏观传播效应对双光子吸收过程的调制作用。该研究工作为后续关于高次谐波辐射场的宏观传播效应的研究奠定了基础，同时也为研究强场双光子双电离中的顺序双电离与非顺序双电离提供理论参考。.目前，基于本项目研究，我们已正式发表相关学术论文7篇，其中1篇发表在Physical Review Letters上面，另外还有2篇论文正在审稿过程中。在项目执行期间，项目组成员参加国际学术会议4人次，参加国内学术会议4人次；项目组还与国外合作研究单位进行了3人次的学术交流访问。