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利用超短脉冲超强激光在稀薄等离子体中激发的尾流场来加速电子，是设计小型电子加速器的一种重要机制。本文的目的是：利用粒子模拟方法，研究和比较激光尾流场加速电子的四种主要方案：短脉冲激光尾流场加速（LWFA）、多脉冲激光尾流场加速（MP-LWFA）、拍频束尾流场加速（PBWA）、自调制激光尾流场加速（SM-LWFA）。着重讨论尾流场的饱和机制以及电子参量不稳定性对产生尾流场和加速电子的影响。 为了解决研究激光和稀薄等离子体相互作用所需的大量计算，我们研制了2 1／2D分布式粒子模拟并行程序，在微机群和巨型机YH—IV对程序并行性能进行了测试得到了较高的加速比。此外，对粒子模拟中的一些算法进行了改进，主要包括： 1．对“吸收边界”条件作了系统的分析，将Lindman吸收边界条件作了推广，使之适用于各种极化条件以及3DPIC粒子模拟。 2．本文运用两体碰撞模型，对电子和电子、电子和离子、离子和离子之间两体库仑碰撞对速度的改变作了相对论性修正。 3．在粒子的始化过程中，我们提出了一种实现三维速度均为Maxwell分布的算法，此外我们提出了一种在多维粒子模拟中实现静止启动的近似办法。 我们利用研制的2 1／2D带碰撞相对论性粒子模拟并行程序PPICC，对激光尾流场加速电子的四种机制一一作了研究，主要工作为： 1．在LWFA中，我们主要研究“前向受激Raman散射”对尾流场加速电子的影响。结论是：当脉冲长度接近等离子体波长时，稀薄等离子体将发生“前向受激Raman散射”，它使脉冲后沿拉长，导致尾流场的相速度变小，以至于被尾流场“捕获”的电子最大动能大大下降。 2．在MP-LWFA中，我们研究不同的脉冲长度、不同的脉冲间隔对产生尾流场的影响，着重讨论尾流场的饱和机制。粒子模拟结果表明：激发尾流场的激光脉冲的长度有一个最佳值，对于Gauss型脉冲，该值为LFWHM=0.3λp。接着我们比较“优化脉冲间隔”和“固定脉冲间隔”两种多脉冲尾流加速方案，得到：更合理的脉冲安排应该为：脉冲间隔不断增大，脉冲长度也不断增大。我们接着研究“拍频束尾流场加速”，证实多脉冲尾流场加速的主要饱和机制为“相位失谐”，模拟得到的静电场饱和时间与理论结果相当符合。此外，我们还研究“位相相反”的两个脉冲在稀薄等离子体中的传播，第二个激光脉冲由于吸收了前一脉冲激发的静电场，频率向高频方向漂移，得到频移的大小与符合理论推测。 3．在SM-LWFA中，我们考虑长度为几个等离子体波长的激光脉冲，在“调制不稳定性”作用下激发尾流场加速电子的过程。我们首先提出“三角脉冲激发尾流场加速电子”的方案，利用“三角脉冲”平缓的上升沿激发“受激Raman散射”预加热电子，其陡峭的下降沿激发尾流场可以使更多的电子被“捕获”。接着我们研究激光脉冲在“自聚焦”和“调制不稳定性”的联合作用下，断裂成间隔约为λn。的片段，这些脉冲“片段”激发尾流场加速电子的过程。在SM-LWFA中的模拟过程中发现：“侧向Raman散射”发挥了重要作用，它激发的横向电子密度扰动削弱了纵向的电荷分离，使尾流场的振幅以及“捕获”时电子的最大动能都下降。此外我们提出利用窄脉冲的横向有质动力抑制“侧向受激Raman散射”的设想，并在粒子模拟中得到证实。 国防科学技术大学研究生院学位论文 4．我们还研究了有限束宽对激光尾流场加速电子的影响。当脉冲宽度较大时，如果激光 功率远高于临界功率，激光脉冲将在等离子体中发生“自聚焦”，由此引发的“湍流 不稳定性”可以导致激光能量的反常吸收，激光60％以上的能量转化为电子动能。如 果激光脉冲宽度很窄，即使激光功率高于临界功率，也不能发生“自聚焦”。但脉冲 的横向有质动力将导致横向波破发生，电子在横向获得很高速度，它一方面使更多的 电子发生了“电子捕获”；另一方面导致激发的尾流场振幅下降，进而“捕获”时电 子的最大动能下降。 鉴于“受激naman散射”在尾流场加速电子方面的重要性，我们还研究了长脉冲激光激 发“受激naman散射”的情况。 1．首先我们研究中等密度（nc＞n＞0．25丁nc）等离子体中的“受激Raman散射”过程。 在这一密度区域，传统的观念认为是不能激发“受激aaman散射”的。我们研究不同 入射激光强度（a—0．45～1．73）、不同等离子体密度（。二 0．30—0．80）下，静电 波的增长率与激光强度、等离子体密度的关系，与ID非线性理论比较发现：增长率 符合得较好，而最快增长波矢模式在a＞0．55时比理论估计的偏小。我们的ZD粒于模 拟结果还表明：与ID理论不同的是，等离子体还将激发“激光成丝不稳定性”和“侧 向aaman散射”，我们的一个新结论是：“侧向naman散射”很