进展 | 拍瓦强激光在固体细丝靶面驱动的超高亮度高能伽玛辐射

2018 年 11 月 6 日 中科院物理所

近期国内外强激光研究机构成功建造了数拍瓦超强激光装置（1拍瓦=10¹⁵瓦），并同时进一步计划建造更强的百拍瓦量级激光装置（譬如，今年诺贝尔奖获得者 Mourou 教授等人推动的 ELI 激光装置）。这些装置输出的激光脉冲的聚焦强度能够达到10²⁵ W/cm²（激光电场强度达10¹⁶ V/m），这会将强激光与物质相互作用从相对论和经典非线性物理推进到量子电动力学（QED）占主导的范畴。为了在该领域开展研究，中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室 L05 组的王伟民副研究员、李玉同研究员和上海交通大学盛政明教授合作，在他们之前编写的 KLAPS 粒子模拟（PIC）程序的基础上，于2016年又进一步开发了国内首个 QED-PIC 程序，并用来研究了百拍瓦量级的强激光与固体靶相互作用中的独特QED效应【Physical Review E 96, 013201 (2017)】。

最近，王伟民、盛政明、李玉同、张杰等人利用该程序对强激光脉冲与横向尺度在激光波长量级的固体细丝相互作用进行了研究，发现即使驱动激光在拍瓦量级，就能产生显著的 QED 效应。当强激光与细丝靶作用时，一方面在细丝靶表面把电子加速至 GeV 量级，另一方面在靶表面激发出了很强的准静态横向电磁场，后者在丝表面驱动高能电子做横向振荡，并产生类同步辐射。固体细丝靶的高密度使得激光脉冲沿靶表面引导和加速电子，产生数目非常高的准直 GeV 电子束，其单脉冲电量可以达到 10 nC 量级，而气体靶尾场加速器的电量仅在 100 pC 量级。同时固体细丝靶的高密度使得激光在靶表面形成的准静态横向电磁场非常强，可以达到 10¹⁴ V/m 量级，在电子静止坐标系下，该有效振荡场接近 Schwinger 临界场强 E_Sh=1.32×10¹⁸ V/m（此场强可以在真空中直接激发出正负电子对），在此条件下电子振荡引起的同步辐射已经进入了 QED 领域，因而能够非常高效地产生准直性良好的高能量、高亮度伽玛射线。三维 QED-PIC 模拟表明，伽玛射线的亮度仅次于大型X射线自由电子激光装置（XFEL），但其光子能量高达到几十 MeV 到几百 MeV（比 XFEL 高 3 个数量级），从激光到伽玛射线的转换效率可以接近 10%。与通常的强激光与固体靶作用产生高能伽玛射线相比，本方案不仅大大降低了对驱动激光功率的要求，而且大幅提高伽玛射线的准直性、大幅降低其横向尺寸，因此伽玛射线的亮度得到极大提升。这种高能伽玛射线在放射治疗、原子核光学、实验室天体物理、伽玛光子对撞机等具有诱人的应用前景。本工作近期发表在《美国科学院院刊》上【PNAS 115, 9911 (2018)】。

以上研究得到了科技部重点研发计划（2018YFA0404801）、挑战计划（TZ2016005）、国家自然科学基金委（11775302, 11721091, 11775144, 11655002, 11520101003）、中科院先导科技专项（XDB16010200, XDB07030300）、教育部IFSA协同创新中心的资助。

图1. A为丝靶方案的示意图：一束拍瓦激光脉冲沿着亚波长细丝传输时，产生的高能电子束沿着丝靶表面或激光传播方向传输，同时在靶表面产生了很强的静电场和静磁场，此电场力和磁场力相互竞争导致电子束垂直于靶表面振荡，从而辐射出高能伽玛光子；随着激光脉冲逐渐接近其焦平面（此平面与丝靶前端有一定的距离，以充分地引导和加速电子束），电子束能量逐渐增加、其发散角逐渐减小，因此产生的伽玛光子数目和能量逐渐提高、光子发散角逐渐较小。B图给出了大型X射线自由电子激光装置(XFEL)，大型的同步辐射装置，基于激光尾场加速器的 betatron 或康普顿散射，以及此丝靶方案中产生的伽玛/X射线光子能量和亮度值。

图2. 三维KLAPS粒子模拟结果。 A为激光电场的空间分布（单位mcω/e）：激光与细丝靶相互作用时形成了中空的场结构；B为产生的伽玛光子数密度的空间分布（单位为等离子体临界密度n_c）；C为伽玛光子的角分布：从丝靶中产生的伽玛光子主要沿着靶表面或激光传播方向，而一般的平面靶中产生的伽玛光子的发散角很大；D为伽玛光子能谱。

文章链接：
[1] http://www.pnas.org/content/115/40/9911
[2] https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/PhysRevE.96.013201

编辑：重光

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