摘要
近年来，超短超强激光驱动的等离子体尾波场电子加速已日趋成熟，可产生超高束流密度、飞秒束长的电子束;利用这种电子束可以产生准直、超快、高亮度的台面式新型辐射光源，亦可以用于驱动次级粒子源。相比于大型同步辐射光源，基于激光尾波场加速的Betatron辐射、Thomson散射光源，具有台面化、飞秒脉宽、微小源尺寸、光子能量高等特性，尤其X射线脉冲与驱动激光脉冲间的天然同步性，对超快泵浦探测的研究具有无可比拟的优势。然而，目前Betatron辐射在高能射线输出、偏振性及可调控性，等离子体镜反射式的Thomson散射在光子通量和如何实现非线性散射方面仍比较欠缺，一定程度上限制了其应用。本人博士期间的研究工作之一就是针对这些方面开展的，旨在丰富并拓展激光驱动的Betatron辐射和Thomson散射光源的能力。本人博士期间的另一项工作是基于激光等离子体加速的高流强、高密度电子驱动核反应的研究，旨在将激光等离子体与核物理相结合，为传统核物理中难以解决的问题提供一种新手段。本论文分为以下五章: 第一章为绪论，主要介绍了激光等离子体尾波场电子加速、以及基于尾波场电子束的Betatron辐射和Thomson散射的基本物理机制和研究进展，并阐述了激光等离子体中子源的产生方法和同质异能素的基本概念等。 第二章是激光尾波场电子加速和Thomson散射方面的研究，主要内容包括三项。首先，在16TW激光装置上，基于电离注入机制开展了激光尾波场电子加速的实验研究，获得了非常稳定的电子束，并实现了对电子束能谱的调控。其次，在获得稳定电子束的基础上，基于等离子体镜反射激光脉冲的方式，在实验中稳定、高效地产生了高通量的Thomson散射X射线源，其能量大于200keV的硬X射线光子数约1.2×107。最后，模拟验证了聚焦型等离子体镜增强Thomson散射的方案，利用半球面型等离子体镜反射并聚焦激光，提高了对撞激光脉冲的强度，产生了高度非线性的Thomson散射，此方案有望在实验上将基于等离子体镜的Thomson散射拓展到非线性区域。 第三章是光学控制等离子体尾波场中电子束横向运动及Betatron辐射方面的研究，主要内容包括:一，利用非对称的激光聚焦焦斑控制了等离子体尾波场中电子束的横向运动，且数值模拟表明该方法可产生具有轨道角动量的Betatron辐射。二，利用圆偏振激光控制电子的横向运动，产生了圆偏振的Betatron辐射，且改变激光偏振可调谐Betatron辐射的偏振态。三，利用双束激光脉冲结合电离注入产生了高亮度的Betatronγ光源，一束驱动尾波场电子加速，另一束调控电子的横向运动振幅，极大地提高了辐射的光子能量和辐射效率。 第四章是关于激光等离子体电子加速驱动核反应方面的研究，主要包括:一，利用激光尾波场加速的高流强电子束驱动光致裂变反应，获得了产生效率高达1.1×107n/J的台面式快中子源，在同等激光能量下比已有的激光中子产生机制高一个数量级。二，首次利用激光等离子体的方法在实验中实现了核同质异能素的激发，利用激光与团簇作用产生高密度的电子碰撞激发团簇中的83Kr离子，在实验上观测到了同质异能素83mKr2，其产生效率高达3203±42p/J;该方法能够实现快速激发并累积大量短寿命同质异能素，是传统核物理方法无法办到的，对原子核激光的研究尤为重要。 最后一章为全文总结及展望，提炼了各个章节工作的核心要点及其科学、应用价值，并对后续值得进一步开展的工作进行了展望。
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