初始位相对圆偏振激光脉冲与电子对撞运动轨迹的影响

邓佳丽 刘德宁 顾知遥 任山令

摘  要：通过理论推导出全时间运动方程以及高能电子全空间运动方程，研究激光脉冲初始位相对高能电子运动轨迹的影响。模拟周期量级激光脉冲同步辐射电子运动過程，通过改变激光脉冲的初始位相，可以得出不同初始位相对电子的运动轨迹的影响很小，可以基本忽略，进而为研究初始位相对激光脉冲与高能电子对撞辐射特性的影响提供了有力支持。

关键词：激光脉冲;高能电子;初始位相;运动轨迹

中图分类号：TN249         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）02-0021-02

Abstract： Through the theory， the full-time motion equation and the high-energy electron space motion equation are derived， and the influence of the initial position of the laser pulse on the relatively high-energy electron trajectory is studied. By simulating the periodic motion laser pulse synchronous radiation electron motion process， by changing the initial phase of the laser pulse， it can be concluded that the influence of different initial positions on the trajectory of the electron is small and almost negligible， in order to further study the initial high-energy electrons of the laser pulse. The effects of radiation characteristics provide strong support.

Keywords： laser pulse; high energy electron; initial phase; motion trajectory

引言

近些年以来，由于高能量的超短激光脉冲技术的出现[1]，使得通过高强度聚焦的方法可以将辐射照度增大至1019Wcm2甚至更大。电子在强激光领域里的运动具有高度相对性，这导致了在许多非线性散射过程中产生了非线性的效应[2]。电子运动轨迹适应相对论性多普勒效应，同时相对论电子产生的辐射也依据相对论性多普勒效应频繁高速改变，因此可进一步研究电子辐射特性。

另外，正如其他人所讨论的一样，电子的初始状态如：电子射入激光场的初始位置和初始时间，会明显地影响电子的运动。之前大多数的研究工作均针对连续的平面波散射或者多周期激光脉冲散射，研究结果显示：不同的初始位相条件下多周期激光脉冲或连续平面波的电子辐射特性没有区别[3]。然而，人们并没有过多地关注激光脉冲与高能电子对撞时电子的空间立体特性，因此本文通过模拟周期量级强激光脉冲同步辐射电子运动过程，推导得出在对撞过程中电子的运动和能量方程，计算电子的相对论运动方程，确定对撞过程电子运动的轨迹，为电子辐射特性进一步开展做好准备。

为了进一步探究不同初始位相条件下激光脉冲对电子径向最大偏移量的影响，我们模拟得出电子径向最大偏移量与激光初始位相的关系，如图2所示，从图中我们可以看到电子最大径向偏移量随着激光初始位相呈周期性变化，且周期为π，当激光初始位相为π时电子的最大偏移量达到最大，为0.159866，而当激光初始位相为π/2时，电子的最大偏移量达到最小，为0.1587475，差值几乎可以忽略。

同样我们计算得到了电子达到纵向偏移峰值时在传播轴的位置与激光初始位相的关系，如图3所示，从图中我们可以分析得到，与图2相似的是，他们均与激光的初始位相呈周期性变化，周期为π，不同的是Z轴的位置在一个周期内随位相单调递减，并且在π/2与3π/2处发生跳变，且由于最大值0.0029587，最小值 0.0018425，因此差值也可以忽略不计。

3 结论分析

本文探究了周期量级圆偏振激光脉冲在不同初始位相下，与高能电子进行对撞时对高能电子运动轨迹的影响。结论显示，激光脉冲与电子对撞时，电子整体呈螺旋形结构在空间中运动，且高能电子运动轨迹仅发生了最大纵向偏移量的改变以及位相的偏移。由于这两种改变量均极小，因此激光脉冲的初始位相对电子运动轨迹的影响基本可以忽略不计。这为进一步研究激光脉冲初始位相对高能电子辐射特性的影响提供了有力支持。

参考文献：

[1]闫春燕，张秋菊，罗牧华.激光与相对论电子束相互作用中阿秒X射线脉冲的产生[J].物理学报，2011，60（03）：397-403.

[2]卢孟春，刘国跃.Petawatt激光与应用[J].四川师范大学学报（自然科学版），2002（01）：81-83.

[3]肖耀宗，王子豪，郅佳琳，等.通过控制激光脉冲振幅以获得准直高能电子束[J].山东工业技术，2018（13）：122.

[4]田友伟，余玮，陆培祥，等.紧聚焦的超短超强激光脉冲在真空中加速斜入射的相对论电子[J].物理学报，2005，54（9）：4208-4212.