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超强激光激发的强场量子电动力学
激光脉冲和电子束对撞准确度的测量方法
张子谦
李炳均
李彦霏
*
作者单位
摘要
西安交通大学 核科学与技术学院,西安 710049
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。
超强激光
康普顿散射
强场量子电动力学
激光-电子相互作用
ultra-intense lasers
Compton scattering
strong-field quantum electrodynamics
laser-electron interaction
PDF全文
Full Text
强激光与粒子束
2023, 35(1): 012008
超强激光激发的强场量子电动力学
基于激光等离子体的X/γ辐射研究进展
下载:518次
鲁瑜
1
张昊
1
张亮琪
1,2
魏玉清
1
[ ... ]
余同普
1,*
作者单位
摘要
1
国防科技大学 理学院,长沙 410073
2
南华大学 核科学与技术学院,湖南 衡阳 421001
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。
强场量子电动力学
激光与等离子体相互作用
高能辐射
X射线
γ射线
strong-field quantum electrodynamics
laser-plasma interaction
high-energy radiation
X-ray
γ-ray
PDF全文
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强激光与粒子束
2023, 35(1): 012006
超强激光激发的强场量子电动力学
激光参数对非理想真空激光光强极限的影响
伍艺通
1
吉亮亮
1,*
李儒新
1,2
作者单位
摘要
1
中国科学院 上海光学精密机械研究所,强场激光物理国家重点实验室,上海 201800
2
上海科技大学 物质学院,上海 201210
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10
26
~10
27
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。
激光极限强度
强场量子电动力学
量子电动力学级联效应
激光等离子体相互作用
PIC模拟
attainable upper limit of laser intensity
strong-field quantum electrodynamics
quantum electrodynamics cascade
laser plasma interaction
PIC simulation
PDF全文
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强激光与粒子束
2023, 35(1): 012001
超强激光激发的强场量子电动力学
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
黄海荣
1
张亮琪
1,2
刘维媛
3,4
余同普
2
罗文
1,*
作者单位
摘要
1
南华大学 核科学技术学院,湖南 衡阳 421001
2
国防科技大学 理学院,长沙 410073
3
上海交通大学 物理与天文学院,激光等离子体教育部重点实验室,上海 200240
4
上海交通大学,IFSA协同创新中心,上海 200240
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。
强场量子电动力学效应
超强激光与固体靶作用
级联发展
稠密正电子产生
分析模型
strong-field quantum electrodynamics
effects
the interaction of ultra-intense laser and solid target
the development of cascade
dense positron generation
analytical model
PDF全文
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强激光与粒子束
2023, 35(1): 012004
Research Articles
Reflecting petawatt lasers off relativistic plasma mirrors: a realistic path to the Schwinger limit
Download:1008次
Fabien Quéré
*
Henri Vincenti
*
Author Affiliations
Abstract
LIDYL, CEA-CNRS, Université Paris-Saclay, 91191Gif-sur-Yvette, France
The quantum vacuum plays a central role in physics. Quantum electrodynamics (QED) predicts that the properties of the fermionic quantum vacuum can be probed by extremely large electromagnetic fields. The typical field amplitudes required correspond to the onset of the ‘optical breakdown’ of this vacuum, expected at light intensities >4.7×10
29
W/cm
2
. Approaching this ‘Schwinger limit’ would enable testing of major but still unverified predictions of QED. Yet, the Schwinger limit is seven orders of magnitude above the present record in light intensity achieved by high-power lasers. To close this considerable gap, a promising paradigm consists of reflecting these laser beams off a mirror in relativistic motion, to induce a Doppler effect that compresses the light pulse in time down to the attosecond range and converts it to shorter wavelengths, which can then be focused much more tightly than the initial laser light. However, this faces a major experimental hurdle: how to generate such relativistic mirrors? In this article, we explain how this challenge could nowadays be tackled by using so-called ‘relativistic plasma mirrors’. We argue that approaching the Schwinger limit in the coming years by applying this scheme to the latest generation of petawatt-class lasers is a challenging but realistic objective.
ultraintense laser-matter interaction
strong-field quantum electrodynamics
plasma mirrors
attosecond light pulses
PDF全文
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High Power Laser Science and Engineering
2021, 9(1): 010000e6
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