超强激光与固体靶作用驱动量子电动力学级联和稠密正电子产生的研究进展

极端超短超强激光脉冲的诞生将光与物质的相互作用推进到由辐射阻尼效应和量子电动力学（QED）效应占主导的高度非线性物理范畴。强场QED效应蕴含了丰富的物理过程包括辐射阻尼、高能伽马辐射、正负电子对产生、QED级联、真空极化等,是高能量密度物理和强场物理研究领域的前沿热点。QED级联是解释致密天体辐射和伽马射线暴形成的重要物理机制,其产生的稠密正电子源在高能物理、材料无损探测、癌症诊断等领域亦有重要的应用前景。介绍了QED级联过程及其理论模型,讨论了固体靶中的QED级联发展及其诱导的非线性物理效应,并回顾了固体靶中稠密正电子产生的主要研究成果。     

极强激光场驱动超亮伽马辐射和正负电子对产生的研究进展

高功率超短超强激光脉冲的诞生开启了相对论非线性光学、高强场物理、新型激光聚变、实验室天体物理等前沿领域.近年来,随着数拍瓦级乃至更高峰值功率激光装置的建成,超强激光与等离子体相互作用进入到一个全新的高强场范畴.这种极强激光场与等离子体相互作用蕴含着丰富的物理过程,除了经典的波与粒子作用、相对论效应、有质动力效应等非线性物理过程外,量子电动力学(QED)效应变得格外重要,例如辐射阻尼效应、正负电子对产生、强伽马射线辐射、QED级联、真空极化等.本文主要介绍我们近年来在极端强激光场与等离子体相互作用中激发的QED效应以及伴随的超亮强伽马射线辐射和稠密正负电子对产生等方面的研究进展.     

基于激光等离子体的X/γ辐射研究进展

随着激光技术的不断发展,激光功率突破10 PW量级,激光与物质相互作用进入近量子电动力学（QED）范畴。从弱相对论激光到相对论激光再到强相对论激光,激光场与物质的耦合可以产生能量从keV到MeV甚至GeV的X/γ射线。这些辐射具有通量大、亮度高、能量高和脉宽短等特点,在核物理、高能量密度物理、天体物理等基础研究以及材料科学、成像、医学等领域具有广泛应用前景。系统梳理了近年来相对论强激光与气体、近临界密度等离子体及固体靶相互作用,通过诸如同步辐射、betatron和类betatron辐射、Thomson散射和非线性Compton散射过程等产生高能X/γ射线的最新研究进展,总结了各种方案产生的X/γ射线的品质因子和潜在应用,并为下一步基于强激光大科学装置的实验研究提供理论参考。     

用硬X射线自由电子激光解析复杂生物大分子的结构

2010年,美国斯坦福直线加速器中心(SLAC)的研究人员在Nature Photonics杂志上发文[1],宣布世界上第一个硬X射线波段的自由电子激光装置正式投入使用.X射线激光给整个"X光科技"带来的影响,将不亚于上世纪可见光激光给光学带来的影响.上世纪初诞生的X光科技使大量科学实验深入到原子层次,为物理、化学、材料科学以及生命科学等领域的许多重大突破提供了实验基础.以X射线激光为基础的21世纪的X光科技,将在更广的范围、更深的层次、以更高的效率对相关学科的发展起更大     

合肥软X射线波段自由电子激光注入器模拟优化

合肥软X射线波段自由电子激光项目是基于直线加速器的软X射线光源. 其注入器由光阴极微波电子枪与两个直线加速3米段构成. 光阴极微波电子枪产生束团电荷量1nc、峰值流强100A、重复频率10Hz电子束流, 并利用螺线管磁场在其出口处进行发射度补偿, 在经过一段漂移距离后电子束流进入增强直线段加速. 使在低能端由于空间电荷效应产生的横向发射度增长基本被完全补偿. 本文中利用PARMELA对注入器进行了模拟计算, 对发射度的补偿效果进行了优化, 同时对注入器内各元件的布置也进行了优化. 在注入器出口可以得到归一化横向发射度小于1.5mm.mrad的低发射度束流.     

相对传播的双脉冲激光与薄膜靶作用产生的强单色谐波

研究了相对传播的双脉冲激光与薄膜靶的作用,观察到很强的谐波产生.其物理图像是:圆偏振高对比度强激光脉冲作用于薄膜靶,由光压推动产生的高密度等离子体靶向前运动,同时由于电荷分离场的作用,使得离子束和电子束在纵向上都有好的聚束,从而产生以相对论速度向前运动的等离子体镜;反向入射一个探测光到已被加速的等离子体镜上,由多普勒频移产生强的单色N次谐波,探测光脉冲被"压缩"至原来的1/N.还讨论了激光和等离子体参数对等离子体镜的运动和谐波级次的影响,以及相对论运动等离子体镜的稳定性对谐波的影响.     

激光电子散射中的最大可能增益

借鉴自由电子激光(FEL)发展之初Madey对自由电子激光器中受激辐射引起的增益的讨论,通过在激光场中的量子电动力学(QED)的模型中引入激光电子系统初态态密度以及由不确定的系统初态到确定光子末态的跃迁速率,推导了激光电子正碰过程中受激辐射至单一电磁模式产生的最大可能增益。采用成功得到X射线或$\gamma $射线光子的三个激光电子Compton背散射实验的实验参数计算了激光电子散射过程中的最大可能增益,与第一台X射线自由电子激光(XFEL)中的最大可能增益作比较,进而对激光电子散射作为激光光源的可行性进行评估。计算结果表明,现有的能够得到X射线光子或$\gamma $射线光子的激光电子散射实验中的最大可能增益远低于第一台XFEL中的。本工作未能找到合适的激光电子参数以获得比第一台XFEL中更高的最大可能增益,但是在入射电磁波位于射频波段范围内找到了能够实现较高增益的参数组合。     

超强激光驱动的辐射反作用力效应与极化粒子加速

光强超过10~(22) W/cm~2的极端超强激光将光与物质的相互作用推进到辐射主导区域,激发高能伽马光子辐射,产生明显的辐射反作用力效应.辐射反作用力可以显著影响强场中带电粒子的动力学行为,并从根本上改变了极端强场区域的激光等离子体相互作用规律.如何理解和验证辐射反作用力效应是强场物理研究的核心内容之一.本文结合该方向的国内外研究进展,论述了辐射反作用力的经典形式与强场量子电动力学的理论计算与模拟方法,详细讨论了单粒子在强场中的反射、量子随机辐射、自旋-辐射耦合等效应,介绍了激光等离子体相互作用中的电子冷却、辐射俘获、高效伽马辐射等机制,并给出了目前辐射反作用力效应的实验验证方法与进展.针对自旋在强场量子电动力学方面的效应,介绍了激光加速产生极化粒子源的方法.     

激光参数对非理想真空激光光强极限的影响

人类在实验室可实现的激光强度极限是强场量子电动力学（QED）的重要问题。在非理想真空条件下,极端超强激光与残留的电子相互作用触发伽马光子辐射与正负电子对产生的QED级联效应,从而显著消耗激光能量,大幅降低可实现的激光峰值强度。考虑到QED级联效应与激光偏振、焦斑尺寸、脉宽长度有着密切的关系,基于囊括QED过程的粒子网格模拟方法（Particle-in-cell, PIC）对上述参数的效应进行分析,同时构建了激光场演化的自洽方程来进行解释,二者结果基本保持一致,获得的强度极限在考虑的参数范围内为1026～1027 W/cm?2。结果表明,同等情形下,圆偏振激光可激发更强的QED级联,使得激光强度上限略低于线偏振。此外,紧聚焦激光由于QED级联发生的时空间尺度更小,从而激光的吸收效应被显著抑制,进而可以实现更强的聚焦强度。对于更长脉宽的激光,由于正负电子对吸收的能量区域更加弥散,使得可实现的激光强度上限阈值有所提升。但对于超短脉宽情形（如单周期）,由于QED级联的种子源电子束不能很好地被约束在激光区域,理论分析耗散的激光能量偏高。此外,在高真空度的情形下,残余电子的随机性也会对可实现激光强度产生一定的影响。研究结果可为后续开展极端强场QED实验和数100 PW级超强超短激光装置建设提供指导。     

飞秒时间分辨实验中相关函数和时间零点的确定

结合飞秒激光在研究分子激发态弛豫动力学中的应用,介绍了几种飞秒时间分辨实验中确定泵浦激光脉冲与探测激光脉冲的相关函数和时间零点的方法.对于波长在可见波段的泵浦和探测激光脉冲,我们可以利用非线性光学的技术手段,探测泵浦光与探测光的和频光的强度随二者间的时间延迟的变化来确定相关函数和时间零点;对于波长在紫外甚至更短的波段的泵浦和探测激光脉冲,由于单脉冲能量比较低,目前还很难利用技术手段来测定泵浦激光与探测激光的相关函数及时间零点,可以利用某些原子气体(如Xe)或某些具有短寿命态的分子作平行实验进行间接测量.     

激光脉冲和电子束对撞准确度的测量方法

超强激光脉冲与相对论电子束相互对撞是当前主要的强场量子电动力学（QED）实验手段。如何测量超强激光脉冲和电子束对撞的准确度,进而实现微米精度的准确对撞,是目前限制实验发展的重要因素。利用蒙特卡罗数值模拟方法,系统研究了超强激光脉冲和相对论电子束相互对撞过程,重点关注了电子和辐射光子动力学信息与激光脉冲和电子束对撞偏移量之间的对应关系。研究发现:辐射光子的空间分布信息,可以有效反映出激光脉冲和电子束的对撞偏移量。基于该研究结果,实验中可利用光子空间分布的信息,实现对激光脉冲和电子束对撞准确度的调节,从而有望促进强场QED实验技术的发展。     

上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望

激光康普顿散射(Laser Campton Scattering, LCS)光源,是一种基于相对论电子束与激光光子相互作用的新型X-ray或Gamma-ray光源。它具有能量高、波长短、脉冲快和峰值亮度高的特性,已成为国际先进光源技术的重要选项之一。本文介绍了激光康普顿散射光源的产生原理、国内外发展现状以及目前国际上运行和在建的激光康普顿散射光源装置,其中重点介绍了上海光源二期正在建设的上海激光电子伽马源(Shanghai Laser Electron Gamma Source, SLEGS)装置,以及在这一光源装置上可以开展的核物理、核天体物理、核废料处理及核医学应用等研究。随着上海软X射线自由电子激光试验装置(Soft X-ray Free Electron Laser, SXFEL)升级为用户装置,以及未来十三五国家重大科技基础设施-硬X射线自由电子装置(Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility,SHINE)的建设完成,基于直线电子加速器(LINear ACcelator, LINAC)的康普顿散射光源的伽马能量将会达到GeV量级的高能量。超短脉冲、高极化度、高通量的激光康普顿散射光源将迎来新的发展机遇,基于康普顿伽马光源的核物理、天体物理、粒子物理及应用基础研究也必将迈上一个新台阶。     

超短超强激光导引及对电子加速的影响

使用粒子模拟程序对30 fs超短超强激光在均匀与抛物型两种密度分布等离子体中的传输, 以及在稳定传输状态下尾场的电子注入与加速形成的电子能谱进行了模拟与分析. 固定入射激光束斑尺寸, 在(0.4-2)×10¹⁹/cm³等离子体密度范围, 对比分析了归一化峰值强度从1-6范围的激光脉冲在上述两种密度分布等离子 体中传输时激光束斑尺寸的演化, 结果表明抛物型分布的等离子体密度通道能够对超短超强脉冲实现良好的导引, 有利于高能电子加速. 对于较高密度情况,即使在均匀等离子体中依靠相对论自聚 焦等机制也可以实现良好的自导引传输,有利于实验简化以及产生更大电量的加速电子.     

Electron acceleration to GeV energy by a radially polarized laser

We present a relativistic single particle simulation of vacuum acceleration of an electron by a high-intensity radially polarized laser beam. The inherent complete symmetry of radially polarized laser beam leads to improvement in the trapping and acceleration of an electron so that an electron can be accelerated to the level of GeV. In addition, the external magnetic field further enhances the electron acceleration. Hence, an electron of ultrahigh energy was observed. The strong correlation between final electron energy and scattering angle is discussed.     

超强激光与泡沫微结构靶相互作用提高强流电子束产额模拟研究

利用二维粒子模拟方法,本文研究了超强激光与泡沫微结构镀层靶相互作用产生强流电子束问题.研究发现泡沫区域产生了百兆高斯级准静态磁场,形成具有选能作用的"磁势垒",强流电子束中的低能端电子在"磁势垒"的作用下返回激光作用区域,在鞘场和激光场的共同作用下发生多次加速过程,从而显著提升高能电子产额.还应用单粒子模型,分析了电子在激光场作用下的运动行为,验证了多次加速的物理机理.     

Investigating the QED vacuum with ultra-intense laser fields

In view of the increasingly stronger available laser fields it is becoming feasible to employ them to probe the nonlinear dielectric properties of the vacuum as predicted by quantum electrodynamics (QED) and to test QED in the presence of intense laser beams. First, we discuss vacuum-polarization effects that arise in the collision of a high-energy proton beam with a strong laser field. In addition, we investigate the process of light-by-light diffraction mediated by the virtual electron-positrons of the vacuum. A strong laser beam “diffracts” a probe laser field due to vacuum polarization effects, and changes its polarization. This change of the polarization is shown to be in principle measurable. Also, the possibility of generating harmonics by exploiting vacuum-polarization effects in the collision in vacuum of two ultra-strong laser beams is discussed. Moreover, when two strong parallel laser beams collide with a probe electromagnetic field, each photon of the probe may interact through the “polarized” quantum vacuum with the photons of the other two fields. Analogously to “ordinary” double-slit set-ups involving matter, the vacuum-scattered probe photons produce a diffraction pattern, which is the envisaged observable to measure the quantum interaction between the probe and strong field photons. We have shown that the diffraction pattern becomes visible in a few operating hours, if the strong fields have an intensity exceeding 10²⁴W/cm².     

A New Scheme for High‐Intensity Laser‐Driven Electron Acceleration in a Plasma

We propose a new approach to high‐intensity relativistic laser‐driven electron acceleration in a plasma. Here, we demonstrate that a plasma wave generated by a stimulated forward‐scattering of an incident laser pulse can be in the longest acceleration phase with injected relativistic beam electrons. This is why the plasma wave has the maximum amplification coefficient which is determined by the acceleration time and the breakdown (overturn) electric field in which the acceleration of the injected beam electrons occurs. We must note that for the longest acceleration phase the relativity of the injected beam electrons plays a crucial role in our scheme. We estimate qualitatively the acceleration parameters of relativistic electrons in the field of a plasma wave generated at the stimulated forward‐scattering of a high‐intensity laser pulse in a plasma. (© 2015 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)     

紧聚焦的超短超强激光脉冲在真空中加速斜入射的相对论电子

研究了紧聚焦的线偏振飞秒超强高斯激光脉冲俘获并剧烈加速斜入射低能相对论电子的效应 ，发现被俘获的电子在激光脉冲纵向有质动力的强大加速作用下，可以获得GeV量级的能量 ，并详细研究了入射电子的初能量、斜入射角、电子与激光脉冲的相对延迟时间和激光脉冲 宽度等条件对电子能量增益的影响，发现当激光脉宽超过10λ时，脉宽对电子能量增益影响 不大. 关键词： 电子加速 有质动力 能量增益 束腰