一种含偶次非球面反射镜的全光康普顿散射装置

技术领域

本发明是一种适用于激光尾场电子加速的光束聚焦装置，涉及激光尾场电子加速及其辐射源的产生领域，尤其涉及一种基于激光尾场的全光康普顿散射领域。

背景技术

超强超短激光是目前已知的最亮光源，它的迅猛发展为人类创造了前所未有的极端物理条件，使光与物质的相互作用进入到相对论领域。利用飞秒超强激光驱动的新型激光尾波场电子加速器具有巨大的加速梯度，可在小规模上将电子加速至GeV量级，大大减小了加速器的规模及成本，对新型辐射源相关领域的研究具有重大的科学意义。其中伽马射线源在核天体物理、量子物理、医疗成像与诊断等领域都具有十分重要的应用价值，而基于相对论电子束与激光对撞的逆康普顿散射是目前产生高能伽马射线最有效的途径。

现有的电子加速与辐射产生方案由于缺乏对激光有效的聚焦，存在激光损耗及失相等问题阻止电子能量的进一步提高，且电子束无法与激光束发生精准的对撞，对撞效率低，限制了伽马射线的能量、亮度与产额等；此外超强激光经平面镜垂直反射后容易对激光器前端元器件带来损伤，影响后续的实验。

已有的全光伽马射线辐射源方案产生的伽马射线源的质量不能满足当前的应用需求，所以亟需研究一种改进的全光康普顿散射装置，一方面实现对激光的有效聚焦，提高电子束能量以产生高能伽马射线，同时实现激光与电子的精准对撞，提升伽马射线的亮度来满足应用的需求；另一方面，避免反射激光经平面镜反射后对其他光学器件造成损伤。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有的全光康普顿散射方案的不足，集成电子加速与辐射产生为一体，通过设计特定面型的反射镜，对激光进行有效的聚焦，无失相地进行激光尾场电子加速，将电子推进到高能量，实现激光与电子束自同步的持续对撞，提升辐射源能量与亮度；且回光很弱，不会对激光器前端的元器件造成损伤。

本发明的技术解决方案如下：

一种含偶次非球面反射镜的全光康普顿散射装置，其特点征在于，包括：超强入射激光、偶次非球面反射镜、气体靶和真空腔；在超强入射激光的入射方向上依次摆放有气体靶以及偶次非球面反射镜，气体靶与偶次非球面反射镜均置于真空腔内；

所述的超强入射激光的焦斑中心、气体靶中心与偶次非球面反射镜的中心共轴；

所述的偶次非球面反射镜的半径与入射激光的半径相等；所述的偶次非球面反射镜中心带有小孔，小孔的半径约为偶次非球面反射镜直径的十分之一，避免损失过多超强入射激光且能保证电子与辐射可穿过小孔继续沿光轴传播，便于后续对辐射进行分析。

所述的气体靶作用点位于光轴上最短焦距处，气体长度与偶次非球面反射镜的焦深大致相等。

可选的，所述的偶次非球面反射镜直径为200mm，其中心小孔的半径为30mm。

可选的，所述的超强入射激光光斑直径为200mm，入射能量为30J，脉宽为30fs。

可选的，所述的偶次非球面反射镜仅二四六阶系数有值，其他阶系数均为零，其二四六阶系数分别为：-2.5×10

可选的，气体靶由超音速气体喷嘴产生，气体为He气，初始压强为 3×10

与现有技术相比，本发明具有如下显著特点：

1、实现了长焦深，有效地解决了加速电子中的失相问题，可以将电子推进到高能量，产生高能伽马射线辐射；

2、可实现微米空间精度和飞秒时间精度的自同步，实现精准对撞；

3、同电子发生对撞的均为聚焦后激光，显著提高了电子与激光的碰撞效率，进一步提升辐射源亮度；

4、反射激光以一定的角度会聚与z轴上，并迅速发散，避免回光损伤激光器前端的元器件。

附图说明

图1为本发明的光路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1为本发明一种含偶次非球面反射镜的全光康普顿散射装置的光路示意图。由图可见，具体光路为：

一束半径为R的超强入射激光1沿z轴正方向水平入射至位于真空腔内的偶次非球面反射镜2的表面，反射激光5在不同时刻会聚于z轴的不同位置处；反射激光5与气体靶3共同作用，产生加速电子束6，加速电子束 6沿z轴运动；由于不同反射激光的焦距沿z轴正方向以超光速的速度v

结合图1，本发明实施的具体步骤为:

1)选取能量为30J、脉宽为30fs、光斑直径为200mm的超强超短激光作为超强入射激光1，选取直径为200mm的偶次非球面反射镜作为偶次非球面反射镜2，其偶次2，4，6阶系数分别为：-2.5×10

2)搭建光路，使得超强入射激光1的焦斑中心、偶次非球面反射镜2中心与气体靶3中心共轴；

3)将气体靶3置于光轴上的最短焦距处；控制喷气与激光发射时间，保证反射激光5与气体靶3充分作用，产生加速电子束6；

4)加速电子束6与会聚于z轴的激光发生康普顿散射，所产生辐射穿过偶次非球面反射镜2的小孔继续向前传播；

5)本发明的实施例中，由于所用的是大功率激光光束，为了避免空气对实验带来的不利影响，打靶时需要将偶次非球面反射镜2与气体靶3所在腔室4抽成真空。