專利名稱：用強(qiáng)激光產(chǎn)生飛秒兆伏能量電子束的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于利用強(qiáng)激光產(chǎn)生飛秒、兆伏能量電子束的方法，主要用于超快強(qiáng)激光加速電子，產(chǎn)生時間寬度為飛秒、能量為兆電子伏、方向準(zhǔn)直的高能電子束。這樣的電子束可被應(yīng)用于高能加速器的注入源，自由電子激光的光陰極，超快X射線和γ射線的產(chǎn)生，超快電子衍射等。
背景技術(shù)：
利用高強(qiáng)度激光與物質(zhì)的相互作用，可以產(chǎn)生兆電子伏能量高能電子束。在先技術(shù)主要通過三種方法來實(shí)現(xiàn)。在先技術(shù)[1]是利用自由電子被強(qiáng)激光散射出相互作用區(qū)域來獲得加速電子[參見C.I.Moore et al.，Physical ReviewLetters 74(13)，2439(1995)]。在先技術(shù)[2]是利用強(qiáng)激光激發(fā)產(chǎn)生等離子體波來加速電子[參見A.Modena et al.，Nature 377，606(1995)]。在先技術(shù)[3]是利用強(qiáng)激光與低密度等離子體相互作用產(chǎn)生的相對論細(xì)絲通道來加速電子[參見C.Gahn et al.，Physical Review Letters 83(23)，4772(1999)]。這三種方法所采用的強(qiáng)激光的脈寬皆大于200飛秒。在第一種方法中，被加速電子與激光傳播方向有一錐角，電子束的準(zhǔn)直性差，而且電子束的時間寬度較長。在第二種方法中，電子束沿激光傳播方向，電子束的準(zhǔn)直性也較好，但是電子束的時間寬度在皮秒量級。在第三種方法中，需要利用強(qiáng)激光在低密度等離子體中形成相對論細(xì)絲通道來加速、產(chǎn)生高能電子。這樣不僅要求較苛刻的條件，而且產(chǎn)生的電子束還具有較大的發(fā)散角。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述在先技術(shù)中的缺陷。本發(fā)明的方法是將超快強(qiáng)激光短焦距地聚焦在氣體或固體的介質(zhì)上，使強(qiáng)激光在介質(zhì)中沿傳播方向的峰值強(qiáng)度快速降低來實(shí)現(xiàn)電子加速，能夠產(chǎn)生準(zhǔn)直的、時間為飛秒量級、電子能量為兆電子伏的高能電子束。
具體的做法是<1>采用產(chǎn)生電子束的裝置包括激光光源1，由激光光源1發(fā)射的激光束進(jìn)入真空室2，激光束經(jīng)過置于真空室2內(nèi)的聚焦系統(tǒng)3，穿過真空室2的窗口201聚焦在置于介質(zhì)室4內(nèi)的產(chǎn)生電子束的氣體或固體的介質(zhì)5上，介質(zhì)5產(chǎn)生的電子束由介質(zhì)室4的窗口401射出；<2>所選用的激光光源1是能夠輸出脈寬為飛秒量級，功率在太瓦量級的超快強(qiáng)激光束L；<3>選用置于真空室2內(nèi)的聚焦系統(tǒng)3中的聚焦鏡302的焦距F與激光束口徑D的比值F/D＜2；<4>使聚焦系統(tǒng)3中的聚焦鏡302的焦點(diǎn)正好焦在產(chǎn)生電子束的介質(zhì)5表面上。
所說的聚焦系統(tǒng)3含有反射鏡301和聚焦鏡302。其中反射鏡301是采用平面反射鏡，或者是采用自適應(yīng)光學(xué)變形反射鏡。其中聚焦鏡302可以采用凹面反射鏡，或者用拋物面反射鏡，或者用會聚透鏡。
所采用的裝置如圖1所示。產(chǎn)生電子束的裝置如上所述，包括激光光源1，真空室2，激光束聚焦系統(tǒng)3，介質(zhì)室4以及置于介質(zhì)室4內(nèi)的介質(zhì)5。
從激光光源1輸出的脈寬在飛秒量級、功率在太瓦量級的超快強(qiáng)激光束L進(jìn)入真空室2中，經(jīng)反射鏡301和聚焦鏡302組成的聚焦系統(tǒng)3聚焦在真空室2窗口201位于真空與介質(zhì)5的界面上。激光束焦斑處的激光峰值強(qiáng)度大于8×1018W/cm2。介質(zhì)5置于介質(zhì)室4中。在介質(zhì)5表面上，激光束焦斑的峰值強(qiáng)度通過衍射、散射、反射、吸收等物理過程，使得激光束的峰值強(qiáng)度沿激光束的傳播方向迅速減小。
在激光束焦斑(或稱為束腰)附近的介質(zhì)501上，產(chǎn)生的自由電子或通過激光束電離產(chǎn)生的自由電子在強(qiáng)激光的作用下，在極短的時間內(nèi)被加速到速度接近真空光速、動能在兆電子伏量級的相對論能量。由于激光束的峰值強(qiáng)度沿激光束的傳播方向迅速減小，這些被加速的電子形成電子束E，并沿激光束傳播方向經(jīng)介質(zhì)室4窗口401飛出。
激光束的峰值強(qiáng)度沿激光束傳播方向迅速減小，具體可通過采用F/D＜2(即焦距與激光束口徑的比值小于2)的短焦距聚焦鏡對激光束緊密聚焦，而介質(zhì)5采用氫或者氦等氣體從而使得激光束焦斑后的光束能自然發(fā)散，見圖1中的激光束示意。也可通過其它方式，如相對論自聚焦、光在氣體介質(zhì)中傳輸?shù)奈铡⑸⑸涞?。還有一種方式即采用厚度在0.1-10微米量級的鋁或金等薄膜固體的介質(zhì)5。激光在固體介質(zhì)表面的吸收、反射也可形成激光強(qiáng)度迅速減小的變化。
與在先技術(shù)中所用方法不同的是本發(fā)明方法無需等離子體波的存在；也不需要激光將電子散射出相互作用區(qū)，或利用第二束激光或其它復(fù)雜的機(jī)制如相對論細(xì)絲通道等來加速電子。本發(fā)明方法的顯著特點(diǎn)是采用超快強(qiáng)激光沿其傳播方向的強(qiáng)度迅速減小來實(shí)現(xiàn)電子加速，而實(shí)現(xiàn)超快強(qiáng)激光強(qiáng)度迅速減小是通過短焦距聚焦系統(tǒng)并且聚焦光束的束腰在介質(zhì)的表面上、束腰后的光束自然發(fā)散來快速減弱激光束的強(qiáng)度；當(dāng)聚焦光束在薄膜固體介質(zhì)表面上還加有吸收和反射以此更加加快激光束強(qiáng)度的減弱。所以，本發(fā)明比在先技術(shù)的方法簡單有效。由此獲得的本發(fā)明方法顯著優(yōu)點(diǎn)是，由于電子的加速是通過超快強(qiáng)激光沿傳播方向的強(qiáng)度迅速減小來實(shí)現(xiàn)，被加速電子束沿激光傳播方向發(fā)射，從而所產(chǎn)生的電子束具有極好的準(zhǔn)直性、即方向性。本發(fā)明方法的另一顯著優(yōu)點(diǎn)是，由于電子只是在聚焦光束的束腰附近被加速，因此所產(chǎn)生的電子束在時間尺度上很容易達(dá)到飛秒量級，這也是過去方法難以達(dá)到的。本發(fā)明方法的其它顯著優(yōu)點(diǎn)還有電子束的產(chǎn)生與產(chǎn)生電子束的超快強(qiáng)激光束在時間上是同步的，同在飛秒量級；兆電子伏能量的高能電子加速在微米量級的空間尺度上實(shí)現(xiàn)。


圖1是本發(fā)明的方法中所采用的產(chǎn)生電子束裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式所采用的裝置如圖1所示。其中激光光源1輸出的超快強(qiáng)激光束的脈寬為30飛秒，功率大于0.3太瓦。聚焦系統(tǒng)3中的聚焦鏡302為拋物面反射鏡，其拋物面反射鏡的焦距F＝6cm與激光束口徑D＝6cm的比值F/D＝1。
將超快強(qiáng)激光緊密聚焦在氣體介質(zhì)5上，是用拋物面反射聚焦來實(shí)現(xiàn)，即激光束的口徑D與聚焦鏡302的焦距F相等。介質(zhì)5是氣體氫或氦或氮。通過調(diào)節(jié)激光光源或通過調(diào)節(jié)反射鏡301優(yōu)化激光束而獲得的光束質(zhì)量近衍射極限、波長為800nm的高斯光束，經(jīng)拋物面反射鏡聚焦后，光束的雷利(Rayleigh)長度為1μm，即在圖1的介質(zhì)室4內(nèi)激光束的峰值強(qiáng)度沿傳播方向在1μm內(nèi)減小1倍。當(dāng)激光束在束腰處的峰值強(qiáng)度為2×1019W/cm2時，電子可被加速到最大動能為1.2MeV，電子束的時間寬度可短于80飛秒。
如上所述，當(dāng)介質(zhì)5是固體時，超快強(qiáng)激光束聚焦在它的表面激發(fā)產(chǎn)生電子束的同時，其表面將部分激光束反射，因此激光束峰值強(qiáng)度的減小速度更快。所以，激光束聚焦在薄膜固體介質(zhì)5上，可以獲得更快的激光峰值強(qiáng)度降低。這樣電子不僅可加速到更高能量，而且電子束的脈寬可以更短。當(dāng)在0.5μm空間尺度上，激光的峰值強(qiáng)度減小1倍時，利用激光脈寬為30飛秒、在束腰處激光峰值強(qiáng)度為2×1019W/cm2的超快強(qiáng)激光束，采用厚度為微米量級的鋁或金等薄膜固體介質(zhì)5，電子可被加速到最大動能為1.4MeV，電子束的時間寬度可短于30飛秒。而且，如果激光束腰的橫向半徑大于4μm，則被加速的電子動量僅有縱向分量，而沒有橫向分量，因此電子束E只沿著激光的傳播方向飛出。
權(quán)利要求
1.一種用于強(qiáng)激光產(chǎn)生飛秒兆伏能量電子束的方法，采用將激光光源(1)產(chǎn)生的激光束短焦距地聚焦在氣體或固體介質(zhì)上，使激光束在介質(zhì)中沿傳播方向的峰值強(qiáng)度降低以實(shí)現(xiàn)電子加速，具體做法是<1>采用產(chǎn)生電子束的裝置包括激光光源(1)，由激光光源(1)發(fā)射的激光束進(jìn)入真空室(2)，激光束經(jīng)過置于真空室(2)內(nèi)的聚焦系統(tǒng)(3)，穿過真空室(2)的窗口(201)聚焦在置于介質(zhì)室(4)內(nèi)的產(chǎn)生電子束的氣體或固體介質(zhì)(5)上，介質(zhì)(5)產(chǎn)生的電子束由介質(zhì)室(4)的窗口(401)射出；其特征在于<2>選用的激光光源(1)是能夠輸出脈寬為飛秒量級、功率在太瓦量級的超快強(qiáng)激光束(L)；<3>選用置于真空室(2)內(nèi)的聚焦系統(tǒng)(3)中的聚焦鏡(302)的焦距F與激光束口徑D的比值F/D＜2；<4>使聚焦系統(tǒng)(3)中聚焦鏡(302)的焦點(diǎn)正好焦在產(chǎn)生電子束的介質(zhì)(5)表面上。
全文摘要
一種用強(qiáng)激光產(chǎn)生飛秒兆伏能量電子束的方法,選用能夠輸出脈寬為飛秒量級、功率在太瓦量級的超快強(qiáng)激光束的激光光源。激光束經(jīng)過置于真空室內(nèi)聚焦系統(tǒng)將焦點(diǎn)直接焦在氣體或固體介質(zhì)的表面上。聚焦系統(tǒng)的聚焦鏡的焦距與激光束口徑的比值小于2。因?yàn)榫劢圭R的焦距短而且焦點(diǎn)直接焦在介質(zhì)的表面上,所以激光束焦斑上的峰值強(qiáng)度通過衍射、散射、反射以及吸收等物理過程,使得激光束的峰值強(qiáng)度沿激光束的傳播方向迅速減小,能夠產(chǎn)生準(zhǔn)直的、時間為飛秒量級、電子能量為兆電子伏的高能電子束。比在先技術(shù)所采用的方法簡單有效。電子束的產(chǎn)生與產(chǎn)生電子束的超快強(qiáng)激光束在時間上是同步的,同在飛秒量級。
文檔編號H05H7/00GK1367640SQ0211098
公開日2002年9月4日 申請日期2002年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者王曉方, 汪權(quán)東, 沈百飛 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所