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强激光与等离子体的相互作用是强场物理与等离子物理的一个交叉领域,有非常重要的发展前景和实际应用。而由强激光驱动的大振幅电子等离子体波(激光尾场)的动力学行为是其中一个重要的研究内容。
自从1984年,Berry提出量子系统的整体几何相位以来,由粒子或准粒子与场构成的各类相互作用系统的几何相研究一直是人们研究的热点,本文研究了在激光尾场中传播的光子Berry相位,为量子系统的几何相提供了一个可实现的经典实例。
本文在研究光子与激光尾场的相互作用,遵循广义相对论中粒子与场的相互作用几何化的思想,把激光尾场处理为背景几何。具体做法是:将等离子体波的密度扰动处理为有效几何的光学度规gμv。而探针脉冲在激光尾场中传播可以看作光子波包在光学度规gμv决定的有效时空背景中传播。在此基础上我们进一步研究了激光尾场对探针脉冲光子的Berry相位的修正。而激光尾场对探针脉冲光子Berry相位的修正又为激光尾场的诊断提供了一种新的方法。
本文的基本理论框架是广义相对论、弯曲时空下Maxwell电磁场理论,Berry的几何相理论、等离子体物理,主要内容包括以下几个方面:
(1)由Gordon度规出发,给出激光尾场的有效度规。
(2)采用Hanni的在弯曲时空下的Maxwell方程组,运用几何光学近似,得到光子在激光尾场背景下Hamilton的表达式和探针脉冲光子所满足的运动方程。
(3)研究了激光尾场对探针脉冲光子Berry相位的影响,并且给出了解析表达式。
(4)本文最后,对以上的结论给出了数值分析。并且讨论了另一种可行的实验方案。