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.     

中Z元素激光等离子体软X射线辐射特性

通过分析中等Z元素激光等离子体辐射特性,本文获得了丰富的类氧,类氟、类氖等离子线谱、连续谱及谱与原子序数之间关系。     

激光产生等离子体辐射X射线特性研究

本文报导激光等离子体辐射Ｘ射线的测量方法和结果。在“星光”装置上,用１．６μｍ激光辐照Ｎａ／Ｆ和铜靶。用平晶谱仪测量等离子体辐射Ｘ射线绝对强度,并研究了辐射Ｘ射线强度与入射激光功率密度的关系,测量了靶前后辐射强度之比,为光电离机制的Ｘ光激光研究提供了较重要的数据。     

强场X射线激光物理

相干X光,特别是X射线自由电子激光技术的发展提供了一种新的产生超强光场的途径.由于其较高的光子能量、高峰值功率密度与超短的脉冲长度,有望将强场激光物理从可见光波段推进到X光波段.目前,基于X射线的非线性原子分子物理已取得了初步进展,随着X射线光强的提升,相互作用将进入相对论物理、强场量子电动力学(quantum electrodynamics,QED)物理等领域,为激光驱动加速与辐射、QED真空、暗物质的产生与探测等带来新的科学发现机会.本文对强场X射线激光在固体中的尾场加速、真空极化、轴子的产生与探测等方面进行介绍,旨在阐明X射线波段强场物理在若干基础前沿与关键应用方面的独特优势,并对未来的发展方向进行展望.     

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。     

对激光等离子体中X射线的产生与辐射加热研究

利用一维辐射流体力学程序MULTI数值模拟研究了功率为1014Wcm2、脉冲宽度为300ps、波长为0.44μm的强激光辐照平面Au靶时产生X射线的过程,给出了X射线转换效率和能谱分布.通过将靶物质划分为对所产生的X射线光学薄的转化区和光学厚的再发射区,得到了作为黑体辐射热源的最佳靶厚度,并给出了辐射加热靶所产生的等离子体的密度和温度的空间分布. 关键词： 辐射流体力学 激光等离子体 X射线转换 辐射热波     

短脉冲激光产生的等离子体X射线辐射

此文着重研究短脉冲强激光作用下的等离子体Ｘ射线辐射强度随入射激光能量或功率的变化，等离子体辐射主要由激光功率决定，实验显示了辐射曲线的突变区域和他和区域结构。此外，本结果表明在激光以２０Ｐｓ入射条件下的等离子体相对论吸收效应还不太明显，在等离子体中主要是逆韧致吸收。     

强激光与等离子体相互作用产生的超强太赫兹辐射

超短强激光脉冲在等离子体中传播时会激发大振幅的等离子体尾波场，它是一种电子等离子体波．由于这是一种静电波，它一般不能转换成电磁辐射．我们发现在不均匀等离子体中激发的尾波场在一定条件下可以通过线性模式转换产生电磁辐射．由于用超短强激光脉冲尾波场可以达到的电场振幅达100GV／m，其振动频率在太赫兹（10^12Hz）附近，用这种方法可以产生电场强度达到GV／m的太赫兹辐射．     

激光等离子体软X射线辐射能谱时间分辨测量研究

利用(国内最近研制成功的)带聚酰亚胺膜底衬的金透射光栅与软X射线条纹相机相配合,(在LF11~#激光装置上)使用波长为0.53μm的激光打靶,测量了平面Au靶软X射线时间分辨能谱。测量结果观察到了金等离子体的O带辐射强度随时间增加的现象。文章计算了光栅的衍射效率,并讨论了影响测量谱的几个关键因素。     

1.06μm激光等离子体软X射线辐射及对原子序数的依赖

详细地研究了1.06μm激光等离子体X光的辐射特性;分析了不同谱带发射强度对激光能量的依赖关系,并给出了K、L、M、N、O谱带发射强度对原子序数的依赖关系.     

用于激光等离子体诊断的亚千X射线能谱仪

本文简介了由滤片-X射线二极管阵列组成的具有亚纳秒时间分辨的亚千X射线能谱仪。在0．1到1．5keV能区能量分辨约为200eV。着重介绍了谱仪的结构和应用，数据处理及误差。并就激光-金平面靶相互作用实验中，在激光强度约10^14w／cm^2条件下获得的部份数据进行了简化处理，给出了激光等离子体亚千X射线辐射能谱，由此推出等离子体辐射温度。     

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.     

等离子体波导的复合X射线激光

短脉冲强激光和气体革相互作用可产生等离子体波导。利用自相似模型，得到了等离子体波导中等离子体参数的时人演化。利用自编制的程序，以类Ｈｅ氮为例，研究了在这种等离子体波导中，产生复合机制Ｘ射线激光的过程。     

激光等离子体软X光源8—20nm光谱辐射研究

研制了了一种脉冲重复频率为１０Ｈｚ的激光等离子软Ｘ射线源；傅波长０．５３μｍ和波长１．０６μｍ的激光脉冲，聚焦在不同的金属靶上，使之离子化。     

等离子体X射线激光介质均匀性测量

通过合理而有效地按排多种探测仪器，观察到等离子体Ｘ射线激光介质的空间非均匀现象。在保证入射激光经最佳组合透镜后焦线均匀性前提下，由实验显示等离子体介质的空间不均匀性主要来自靶材质量和调焦精度。此外，入射激光脉宽的大小变化将会引起等离子体整个辐射空间和时间范围的明显变化。     

飞秒和纳秒激光脉冲作用下等离子体X射线辐射特性

对飞秒和纳秒激光作用下的Ａｌ和Ｃｕ等离子体的Ｘ射线辐射进行了测量、分析和比较．实验结果表明在飞秒激光脉冲下等离子体Ｘ射线峰值向短波方向移动．同时Ａｌ等离子体的的电离阶数和温度在飞秒下比纳秒高．