专利名称：用强激光产生飞秒兆伏能量电子束的方法
技术领域：
本发明是关于利用强激光产生飞秒、兆伏能量电子束的方法，主要用于超快强激光加速电子，产生时间宽度为飞秒、能量为兆电子伏、方向准直的高能电子束。这样的电子束可被应用于高能加速器的注入源，自由电子激光的光阴极，超快X射线和γ射线的产生，超快电子衍射等。
背景技术：
利用高强度激光与物质的相互作用，可以产生兆电子伏能量高能电子束。在先技术主要通过三种方法来实现。在先技术[1]是利用自由电子被强激光散射出相互作用区域来获得加速电子[参见C.I.Moore et al.，Physical ReviewLetters 74(13)，2439(1995)]。在先技术[2]是利用强激光激发产生等离子体波来加速电子[参见A.Modena et al.，Nature 377，606(1995)]。在先技术[3]是利用强激光与低密度等离子体相互作用产生的相对论细丝通道来加速电子[参见C.Gahn et al.，Physical Review Letters 83(23)，4772(1999)]。这三种方法所采用的强激光的脉宽皆大于200飞秒。在第一种方法中，被加速电子与激光传播方向有一锥角，电子束的准直性差，而且电子束的时间宽度较长。在第二种方法中，电子束沿激光传播方向，电子束的准直性也较好，但是电子束的时间宽度在皮秒量级。在第三种方法中，需要利用强激光在低密度等离子体中形成相对论细丝通道来加速、产生高能电子。这样不仅要求较苛刻的条件，而且产生的电子束还具有较大的发散角。
发明内容
本发明为克服上述在先技术中的缺陷。本发明的方法是将超快强激光短焦距地聚焦在气体或固体的介质上，使强激光在介质中沿传播方向的峰值强度快速降低来实现电子加速，能够产生准直的、时间为飞秒量级、电子能量为兆电子伏的高能电子束。
具体的做法是<1>采用产生电子束的装置包括激光光源1，由激光光源1发射的激光束进入真空室2，激光束经过置于真空室2内的聚焦系统3，穿过真空室2的窗口201聚焦在置于介质室4内的产生电子束的气体或固体的介质5上，介质5产生的电子束由介质室4的窗口401射出；<2>所选用的激光光源1是能够输出脉宽为飞秒量级，功率在太瓦量级的超快强激光束L；<3>选用置于真空室2内的聚焦系统3中的聚焦镜302的焦距F与激光束口径D的比值F/D＜2；<4>使聚焦系统3中的聚焦镜302的焦点正好焦在产生电子束的介质5表面上。
所说的聚焦系统3含有反射镜301和聚焦镜302。其中反射镜301是采用平面反射镜，或者是采用自适应光学变形反射镜。其中聚焦镜302可以采用凹面反射镜，或者用抛物面反射镜，或者用会聚透镜。
所采用的装置如图1所示。产生电子束的装置如上所述，包括激光光源1，真空室2，激光束聚焦系统3，介质室4以及置于介质室4内的介质5。
从激光光源1输出的脉宽在飞秒量级、功率在太瓦量级的超快强激光束L进入真空室2中，经反射镜301和聚焦镜302组成的聚焦系统3聚焦在真空室2窗口201位于真空与介质5的界面上。激光束焦斑处的激光峰值强度大于8×1018W/cm2。介质5置于介质室4中。在介质5表面上，激光束焦斑的峰值强度通过衍射、散射、反射、吸收等物理过程，使得激光束的峰值强度沿激光束的传播方向迅速减小。
在激光束焦斑(或称为束腰)附近的介质501上，产生的自由电子或通过激光束电离产生的自由电子在强激光的作用下，在极短的时间内被加速到速度接近真空光速、动能在兆电子伏量级的相对论能量。由于激光束的峰值强度沿激光束的传播方向迅速减小，这些被加速的电子形成电子束E，并沿激光束传播方向经介质室4窗口401飞出。
激光束的峰值强度沿激光束传播方向迅速减小，具体可通过采用F/D＜2(即焦距与激光束口径的比值小于2)的短焦距聚焦镜对激光束紧密聚焦，而介质5采用氢或者氦等气体从而使得激光束焦斑后的光束能自然发散，见图1中的激光束示意。也可通过其它方式，如相对论自聚焦、光在气体介质中传输的吸收、散射等。还有一种方式即采用厚度在0.1-10微米量级的铝或金等薄膜固体的介质5。激光在固体介质表面的吸收、反射也可形成激光强度迅速减小的变化。
与在先技术中所用方法不同的是本发明方法无需等离子体波的存在；也不需要激光将电子散射出相互作用区，或利用第二束激光或其它复杂的机制如相对论细丝通道等来加速电子。本发明方法的显著特点是采用超快强激光沿其传播方向的强度迅速减小来实现电子加速，而实现超快强激光强度迅速减小是通过短焦距聚焦系统并且聚焦光束的束腰在介质的表面上、束腰后的光束自然发散来快速减弱激光束的强度；当聚焦光束在薄膜固体介质表面上还加有吸收和反射以此更加加快激光束强度的减弱。所以，本发明比在先技术的方法简单有效。由此获得的本发明方法显著优点是，由于电子的加速是通过超快强激光沿传播方向的强度迅速减小来实现，被加速电子束沿激光传播方向发射，从而所产生的电子束具有极好的准直性、即方向性。本发明方法的另一显著优点是，由于电子只是在聚焦光束的束腰附近被加速，因此所产生的电子束在时间尺度上很容易达到飞秒量级，这也是过去方法难以达到的。本发明方法的其它显著优点还有电子束的产生与产生电子束的超快强激光束在时间上是同步的，同在飞秒量级；兆电子伏能量的高能电子加速在微米量级的空间尺度上实现。
图1是本发明的方法中所采用的产生电子束装置的示意图。
具体实施例方式所采用的装置如图1所示。其中激光光源1输出的超快强激光束的脉宽为30飞秒，功率大于0.3太瓦。聚焦系统3中的聚焦镜302为抛物面反射镜，其抛物面反射镜的焦距F＝6cm与激光束口径D＝6cm的比值F/D＝1。
将超快强激光紧密聚焦在气体介质5上，是用抛物面反射聚焦来实现，即激光束的口径D与聚焦镜302的焦距F相等。介质5是气体氢或氦或氮。通过调节激光光源或通过调节反射镜301优化激光束而获得的光束质量近衍射极限、波长为800nm的高斯光束，经抛物面反射镜聚焦后，光束的雷利(Rayleigh)长度为1μm，即在图1的介质室4内激光束的峰值强度沿传播方向在1μm内减小1倍。当激光束在束腰处的峰值强度为2×1019W/cm2时，电子可被加速到最大动能为1.2MeV，电子束的时间宽度可短于80飞秒。
如上所述，当介质5是固体时，超快强激光束聚焦在它的表面激发产生电子束的同时，其表面将部分激光束反射，因此激光束峰值强度的减小速度更快。所以，激光束聚焦在薄膜固体介质5上，可以获得更快的激光峰值强度降低。这样电子不仅可加速到更高能量，而且电子束的脉宽可以更短。当在0.5μm空间尺度上，激光的峰值强度减小1倍时，利用激光脉宽为30飞秒、在束腰处激光峰值强度为2×1019W/cm2的超快强激光束，采用厚度为微米量级的铝或金等薄膜固体介质5，电子可被加速到最大动能为1.4MeV，电子束的时间宽度可短于30飞秒。而且，如果激光束腰的横向半径大于4μm，则被加速的电子动量仅有纵向分量，而没有横向分量，因此电子束E只沿着激光的传播方向飞出。
权利要求
1.一种用于强激光产生飞秒兆伏能量电子束的方法，采用将激光光源(1)产生的激光束短焦距地聚焦在气体或固体介质上，使激光束在介质中沿传播方向的峰值强度降低以实现电子加速，具体做法是<1>采用产生电子束的装置包括激光光源(1)，由激光光源(1)发射的激光束进入真空室(2)，激光束经过置于真空室(2)内的聚焦系统(3)，穿过真空室(2)的窗口(201)聚焦在置于介质室(4)内的产生电子束的气体或固体介质(5)上，介质(5)产生的电子束由介质室(4)的窗口(401)射出；其特征在于<2>选用的激光光源(1)是能够输出脉宽为飞秒量级、功率在太瓦量级的超快强激光束(L)；<3>选用置于真空室(2)内的聚焦系统(3)中的聚焦镜(302)的焦距F与激光束口径D的比值F/D＜2；<4>使聚焦系统(3)中聚焦镜(302)的焦点正好焦在产生电子束的介质(5)表面上。
全文摘要
一种用强激光产生飞秒兆伏能量电子束的方法,选用能够输出脉宽为飞秒量级、功率在太瓦量级的超快强激光束的激光光源。激光束经过置于真空室内聚焦系统将焦点直接焦在气体或固体介质的表面上。聚焦系统的聚焦镜的焦距与激光束口径的比值小于2。因为聚焦镜的焦距短而且焦点直接焦在介质的表面上,所以激光束焦斑上的峰值强度通过衍射、散射、反射以及吸收等物理过程,使得激光束的峰值强度沿激光束的传播方向迅速减小,能够产生准直的、时间为飞秒量级、电子能量为兆电子伏的高能电子束。比在先技术所采用的方法简单有效。电子束的产生与产生电子束的超快强激光束在时间上是同步的,同在飞秒量级。
文档编号H05H7/00GK1367640SQ0211098
公开日2002年9月4日 申请日期2002年3月8日 优先权日2002年3月8日
发明者王晓方, 汪权东, 沈百飞 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所