以高功率飞秒雷射驱动电子加速器和超快X光源.PDFVIP

以高功率飛秒雷射驅動 電子加速器和超快Ｘ光源 文/汪治平、陳賜原、林俊元、朱旭新 摘要 藉著高功率飛秒雷射對於電漿的強大作用力，我們可以控制電漿的時空演變，用以導引雷射，加速粒子，和產生同調 (coherent)的Ｘ光脈衝。在雷射與電漿豐富的交互作用中，許多應用正等著我們開發。 高功率飛秒雷射 和超快Ｘ光源。 -15 飛秒（10 秒）雷射技術的快速發展始於 1980 年代中期。利用染料雷射的寬頻特性和共振腔內的非 -13 線性效應，雷射可以自發產生短於 10 秒的脈衝。 1990 年代初期幾個研究團隊陸續證明了克爾(Kerr)效 應可以在固態雷射中壓縮脈衝。利用這個方法，幾乎 任何固態雷射都可以自發產生脈衝，其脈衝的長度則 受限於雷射的增益頻寬和高階的群速色散 (group-velocity dispersion) 。到了1990 年代中期，內 建高階色散補償的寬頻鏡片問世，配合增益頻寬高達 300 nm 的Ti:sapphire 晶體，使得雷射可以直接產生短 -14 以光柵組成的雷射脈衝壓縮器 於 10 秒的脈衝。飛秒脈衝放大技術從 1980 年代末 期開始也有極大的進展，其中最重要的突破是線性變 23 2 在 10 W/m 的強大電磁場下，任何物質都會被 頻放大技術(chirped-pulse amplification) 。雷射放大器 瞬間游離成為電漿。在短時間內雷射的有質動力 的極限在於放大器介質的非線性效應和強光導致的 (ponderomotive force)推動電子與正離子分開，在電漿 游離損壞。Strickland 和Mourou 發明的線性變頻放大 中形成尾波。如果雷射脈衝的時間長度大於電漿振盪 技術是利用光纖或光柵所提供的大量群速度色散，將 的週期，拉曼(Raman)效應也會造成電漿波的成長。 脈衝拉長數千倍，放大後再以反向的群速度色散將脈 我們可以控制雷射的波形來配合電漿的振盪，以產生 衝壓縮回原來的長度。這使得脈衝在放大器內的照度 想要的電漿波的形態。電漿波中的強大電場可以用來 降低了數千倍，因此提升了放大器的極限倍率達數千 加速電子或質子；而在適當的條件下電漿波本身也可 倍[1] 。利用這個技術，可以在小型的實驗室內將飛秒 以使雷射脈衝在空間上聚焦，同時在時間上壓縮，產 雷射脈衝放大十億倍，達到十兆瓦的瞬間功率。這樣 生更集中的光場分布。如果使用圓偏極的雷射脈衝來 23 2 的脈衝聚焦後瞬間照度達到 10 W/m ，是正午日照 游離氣體，游離出的電子可以獲得大量的動能，這些 20 倍！過去幾年我們在中央研究院原子與分子 熱電子可以將離子激發到高能態，形成X 光雷射。在 的 10 科學研究所建造了一部高性能的十兆瓦雷射，其脈衝 比較長的時間尺度下來看，雷射脈衝驅動電子同步振 品質和穩定性領先全球[2] 。藉著這樣的雷射，我們得 盪，電子與離子的碰撞使得電漿的溫度升高。電漿受 以精密控制雷射與電漿的交互作用，驅動電子加速器 熱後膨脹逸散，形成局部的瞬態空洞。藉由控制雷射 物理雙月刊（廿八卷二期）2006 年4 月 434 的空間分布，我們可以利用這個機制製作瞬態電漿器 傳統的加速器使用低頻率的電磁波來加速。受限 件，以達成應