In the scheme of fast ignition of inertial confinement fusion, the fuel temperature mainly relies on fast electrons, which act as an energy carrier, transferring the laser energy to the fuel. Both conversion efficiency from the laser to the fast electron and the energy spectrum of the fast electron are essentially important to achieve highly effective heating. In this study, a two-dimensional particle in cell simulation is applied to study the generation of fast electrons from solid-density plasmas with different laser waveforms. The results have shown that the slope of the rising edge has a significant effect on fast electron generation and energy absorption. For the negative skew pulse with a relatively slow rising edge, the J×B mechanism can most effectively accelerate the electrons. The overall absorption efficiency of the laser energy is optimized, and the fast electron yield in the middle- and low-energy range is also improved.

随着激光技术的飞快发展，激光强度不断提高，超强外场下真空中正负电子对产生的过程，即能量向质量转化过程，已经成为一个研究热点。主要综述了近几年量子Vlasov方程方法和计算量子场论(数值求解Dirac方程)方法在研究强场下真空中正负电子对产生方面的进展，分别介绍了空间均匀场和空间不均匀场下的粒子对产生的情况。第一种情况主要介绍双脉冲结构振荡电场中电子-正电子对的产生、强双频振荡电场中非微扰电子-正电子对的产生、频率调制的激光场中电子-正电子对的产生和Dirac真空对啁啾外场的快速分辨。第二种情况主要介绍优化空间局域电场提高粒子对的产生率、多个势阱-垒结构的振荡场对粒子对产生的增强、振荡 Sauter 电势中正负电子对产生的问题、操纵Dirac真空以控制其在场诱导下的衰变、作为信息传输介质的Dirac真空还有正负电子对产生中的相干和非相干啁啾机制的转变。

激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题，因而受到国际社会的普遍重视，一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍（属于内禀困难）是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制，对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科，同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题，高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外，流体力学不稳定性及其引起的湍流混合，还是天体物理现象（如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸）中的重要过程，涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展，梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性，在大量分解和综合物理研究基础上，凝练出了目前制约美国国家点火装置（NIF）内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来，总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后，展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制，以及聚变靶物理研究与设计，注重理论探索和实验研究相结合，近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果，有力地推动了该研究方向在国内的发展。