紧聚焦线偏振强激光场中横向...始位置对电子辐射特性的影响_华欣竹.pdf

第3 4卷 第4期光 散 射 学 报V o l.3 4 N o.42 0 2 2年1 2月THEJ OUR NA LO FL I GHTS C A T T E R I NGD e c.2 0 2 2收稿日期:(2 0 2 2-0 5-2 5),修改日期:(2 0 2 2-0 6-2 7)基金项目:国家自然科学基金资助项目(N o.1 0 9 4 7 1 7 0)作者简介:华欣竹(2 0 0 3-),女,大学本科生,现主要从事非线性光学的研究通讯作者:田友伟,E-m a i l:t i a n y wn j u p t.e d u.c n文章编号:1 0 0 4-5 9 2 9(2 0 2 2)0 4-0 2 7 8-0 6紧聚焦线偏振强激光场中横向初始位置对电子辐射特性的影响华欣竹1,沈曈1,李可1,王宇博1,田友伟2,严刚2(1.南京邮电大学 贝尔英才学院,南京2 1 0 0 2 3;2.南京邮电大学 理学院,南京2 1 0 0 2 3)摘 要:为了探究紧聚焦线偏振激光场中高能电子辐射与电子横向初始位置的关系,在拉格朗日方程的基础上,构建了单个高能电子与激光脉冲相互作用散射的模型,并且借助MA T L A B数值模拟获得了电子运动与电子辐射相关数据。初始状态静止的高能电子与紧聚焦线偏振强激光相互作用后,其在x O z平面内先作振荡运动,再沿z轴正方向作直线运动,横向速度随振荡逐渐转化为纵向速度。观察其有趣的运动轨迹、频谱调制结构与空间辐射分布,发现电子横向初始位置对于电子运动、辐射强度与辐射分布均有较大影响。随着横向初始位置正向增大,电子运动方向迅速偏移z轴,横纵速度失去对称性。最大频谱幅值和最大辐射强度随着横向初始位置增大存在一个极大值,对应辐射方向方位角保持不变,同时极角渐大。结果表明,激光脉冲正中心并不是获得最大强度电子辐射的最佳位置,在x=0.0 8 50时可以取到最大辐射强度,对应极角大约为1 7,方位角为0。关键词:电子辐射;横向初始位置;强激光;紧聚焦脉冲;数值模拟中图分类号:O 4 1 1.3 文献标志码:A d o i:1 0.1 3 8 8 3/j.i s s n 1 0 0 4-5 9 2 9.2 0 2 2 0 4 0 0 3I n f l u e n c e o f t r a n s v e r s e i n i t i a l p o s i t i o n o n t h e r a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o fe l e c t r o n s i ns t r o n g t i g h t l yf o c u s e d l i n e a r l yp o l a r i z e d l a s e r f i e l dHUAX i n z h u1,S HE NT o n g1,L IK e1,WANGY u b o1,T I ANY o u w e i2,YANG a n g2(1.B e l lH o n o r sS c h o o l,N a n j i n gU n i v e r s i t yo fP o s t sa n dT e l e c o mm u n i c a t i o n s,N a n j i n g2 1 0 0 2 3,C h i n a;2.C o l l e g e o fS c i e n c e,N a n j i n gU n i v e r s i t yo fP o s t sa n dT e l e c o mm u n i c a t i o n s,N a n j i n g2 1 0 0 2 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h e s c a t t e r i n gm o d e l o f a s i n g l eh i g h-e n e r g ye l e c t r o n i n t e r a c t i n gw i t haG a u s s i a nl a s e rp u l s e i sc o n s t r u c t e do nt h eb a s i so fL a g r a n g ese q u a t i o nt oe x p l o r e t h e r e l a t i o n s h i pb e-t w e e nh i g h-e n e r g ye l e c t r o nr a d i a t i o na n dt h e t r a n s v e r s e i n i t i a l p o s i t i o no f e l e c t r o n s i nt i g h t l yf o c u s e d i n t e n s e l a s e rp u l s e l i n ep o l a r i z a t i o n.A n dd a t ao ne l e c t r o nm o t i o na n de l e c t r o nr a d i a-t i o nw e r eo b t a i n e dw i t h t h eh e l po fMAT L A B.A f t e r t h e i n t e r a c t i o nb e t w e e n t h eh i g h-e n e r g ys t i l l e l e c t r o n sa n ds t r o n gt i g h t l yf o c u s e dl i n e a r l yp o l a r i z e dl a s e r,t h e yf i r s to s c i l l a t ei nx O zp l a n e,a n dt h e nm a k eal i n e a rm o t i o ni nt h ep o s i t i v ed i r e c t i o no f t h ez-a x i s,w i t hi t s l a t e r a lv e l o c i t yg r a d u a l l yc o n v e r t i n gt ot h el o n g i t u d i n a lv e l o c i t y.O b s e r v i n gt h ei n t e r e s t i n gm o t i o nt r a j e c t o r y,s p e c t r a lm o d u l a t i o ns t r u c t u r e,a n ds p a t i a l r a d i a t i o nd i s t r i b u t i o n,i t i s f o u n dt h a tt h e t r a n s v e r s e i n i t i a l p o s i t i o no f t h ee l e c t r o ns h o w sg r e a t i m p a c t so ne l e c t r o nm o v e m e n t,r a-d i a t i o n i n t e n s i t y,a n dr a d i a t i o nd i s t r i b u t i o n.A s t h e t r a n s v e r s e i n i t i a l p o s i t i o no f t h ee l e c t r o ni n c r e a s e sp o s i t i v e l y,t h ed i r e c t i o no f e l e c t r o nm o t i o n i s r a p i d l ys h i f t e db yt h ez-a x i s,a n dt h et r a n s v e r s ea n dv e r t i c a lv e l o c i t yl o s e si t ss y mm e t r ya sw e l l;t h e r ee x i s tm a x i m u mv a l u e so ft h em a x i m u ms p e c t r a la m p l i t u d ea n dt h em a x i m u mr a d i a t i o ni n t e n s i t yw i t ht h ei n c r e a s eo f第4期华欣竹:紧聚焦线偏振强激光场中横向初始位置对电子辐射特性的影响t h et r a n s v e r s ei n i t i a lp o s i t i o n,o fw h i c ht h er a d i a t i o nd i r e c t i o nk e e p s i t sa z i m u t ha n g l eu n-c h a n g e da n dt h ep o l a ra n g l ee x p a n d i n g.I t i sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ec e n t e ro f l a s e rp u l s ei sn o to p t i m a l f o ro b t a i n i n gt h eb r i g h t e s t a n dh a r d e s ts o u r c eo fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n.T h eh a r d e s t r a d i a t i o np u l s ei sg e n e r a t e dw h e nt h ei n i t i a lp o s i t i o ni ss e tt o0.0 8 50,w i t ht h em a x i m u mr a d i a t i o ne n e r g ya t 1.3 41 08,t h ep o l a r a n g l e i s a b o u t 1 7,a n d t h e a z i m u t ha n g l ei s0K e yw o r d s:e l e c t r o nr a d i a t i o n;t r a n s v e r s ei n i t i a lp o s i t i o n;i n t e n s el a s e r;t i g h t l yf o c u s e dp u l s e;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n1 引言随着上世纪8 0年代紧聚焦脉冲放大技术的出现1,激光聚焦功率密度实现飞跃式的提升,如今超短激光脉冲产生的激光可以达到阿秒量级2-4,促使强激光与物质作用领域向前迈出了一大步。相对论强度激光束中的光子经与高能电子相互作用产生非线性汤姆逊散射5,是制成X射线与射线激光发生器的途径之一6-7,因而研究作相对论加速的电子辐射现象已经成为在物理、化学、生物等众多领域的重要研究手段8-1 1。激光对电子的作用过程以及电子辐射现象作为研究中的重点,经过了许多研究者的理论分析与实验论证1 2-1 3。WANG1 4等人改变激光脉冲束腰半径,激光振幅和脉宽通过数值模拟发现最大辐射功率的方向与激光脉冲的初始相位的关系呈线性关系。Z HUANG1 5-1 6等人通过正确设置电子与激光相互作用点,限制激光强度和增加脉冲持续时间,获得了生成准单色X射线源的最佳情况。S H I1 7等人探究了任意光束腰部,峰值振幅和脉冲宽度对于电子运动和空间辐射特性的影响,然后研究当相对于激光脉冲在