自适应光脉冲整形技术在电子加速中的应用研究

This project will study the application of adaptive pulse-shape in vacuum electron acceleration. Based on the success results in vacuum electron acceleration fields, we will sum up the optimal field characteristic and structure. Using an adaptive learning loop, we will implement optical pulse shaping and this technique makes it possible to generate light fields in which intensity, phase, and light polarization change in order to optimize the acceleration of electron. By use of the energy gain of vacuum electron acceleration as a feedback signal in an evolutionary algorithm, specific phase, amplitude and polarization modulated laser pulses are generated. As a first step, the numerical simulation will focus on the optimization of single electron acceleration then extend the optimal scheme to optimize electron beams acceleration and other ion acceleration, such as proton acceleration et.al. Finally, we will set up experiment to validate the optimal scheme. Our project group has solid foundations in theoretical analysis, experimental practice and work condition. we have confidence that we shall obtain major breakthrough in this field and excellent complete the project.

本项目研究自适应光脉冲整形技术在真空电子加速中的应用。在对激光加速电子研究成果分析和总结的基础上，归纳出最利于加速电子的电磁场的特性和结构。根据归纳的优化电磁场结构，初步构造一个利于加速电子的三维光强分布，利用自适应学习循环算法，实现最优化光脉冲整形。采用这种技术可以得到具有最适合电子加速的电磁场振幅、位相和偏振分布。采用进化算法、以激光动力学模拟所获得的电子加速能量作为进化算法反馈信号，构建自适应电子加速场的脉冲整形优化方案，分别对输入脉冲进行振幅、位相和偏振进行整形。以获得最利于加速电子或电子束的最优化电磁场的空间和时间分布。作为第一步，数值模拟集中于单电子加速的优化，然后将所得的优化方案应用于电子束的加速和其它粒子束加速的优化,例如质子束加速。最后，建立原型实验来验证优化方案。课题组具备扎实的工作基础和良好的工作条件，我们有信心在该领域取得重要突破并出色的完成课题。

采用激光束对电子进行加速具有重要的理论和应用价值。为了提高电子加速的效率，激光场所涉及电磁波的整形和加速电子的初始条件优化就具有重要的意义。在本项目中，我们按照计划开展研究工作，通过采用遗传算法，我们在电子加速的优化方面取得了较大的进展。我们在研究工作中增加了分析微粒在电磁场中的俘获、输运和微操控方面的理论研究，并取得了很好的研究结果。在真空加速电子方面，我们讨论了基于遗传算法的激光加速电子的优化，对比了遗传算法与一般数值模拟方法在多变量情况下能量增益的优化，发现采用遗传算法优化结果更好；我们对高斯光束电子的加速进行了全局优化，获得了最优化加速电子的初始参数组合，确定了加速电子的高能增益区域；同时我们对紧聚焦圆柱矢量高斯光束真空电子加速也进行详细研究，发现电子的入射角和激光束的初始位相对于电子进入和高光强区域扮演重要的角色。在粒子的光捕获和输运研究方面，我们分析发现在微粒迅衰场的俘获研究中，粒子和界面的多散射效应也是一个很重要的因素，我们对多散射效应对光俘获力的影响进行了深入的研究，采用广义最小误差法消除了迭代法中所出现的误差和发散，得到了和实验更加吻合的结果，在此基础上，我们分析了多散射效应在光波导迅衰波中对粒子俘获的影响，同时我们也进一步开展了Airy光束对Mie粒子的捕获、输运和分类研究。我们通过采用平面波谱和任意光束理论得到了光学俘获力和粒子的尺寸及相对折射率的关系。