得益于激光技术的不断进步,特别是发明了啁啾脉冲放大(CPA)技术之后,人们可以在实验室产生激光强度高达1022W/cm2,脉冲仅几十飞秒的超短超强激光脉冲。这种相对论强度的飞秒激光脉冲一直是高能物理、等离子体物理和基础物理研究领域发展的重要推动因素。当峰值强度达到1018W/cm2的激光脉冲与等离子体相互作用时,电子会在瞬间被加速到超高能量,达到相对论速度,导致强非线性物理现象的出现,如激光相对论自聚焦、相对论透明、非线性调制、激光尾波场加速和高次谐波的产生等。近年来,全世界各地建立起来的大型激光装备都将目标瞄准为10-100 PW(1 PW=1015W)的激光脉冲,对应峰值强度在1023-1024W/cm2量级。在如此高的强度下,激光与等离子体相互作用进入近量子电动力学(QED)研究领域,电子处于极端相对论的高能状态,这会产生诸如相对论随机性、辐射捕获/辐射阻尼效应、高能γ光子辐射、正负电子对产生和QED级联等新物理现象,还会产生电子、(?)介子和π介子以及相对应的反粒子等正负粒子对,甚至可能会在未来的实验中发现超标准模型中的新粒子等。这些极端强度下的激光与等离子体相互作用为物理研究带来了新的机遇与挑战。本文前两章主要综述了激光与等离子体相互作用的基本物理原理和QED效应,分别阐述了产生高能γ光子辐射和正负电子对等离子体的物理过程和基本构型,后两章对强场条件下激光与等离子体相互作用中的QED效应,诸如高能电子加速、辐射、辐射捕获和正电子产生等非线性过程做了细致研究和深入讨论。在众多的物理效应中,辐射阻尼效应引起了物理学家们的广泛关注。当激光强度接近1022W/cm2时,相对论电子辐射的高能γ光子的反作用力会变得非常重要,即辐射阻尼(Radiation Reaction,RR)力,其大小可以与激光脉冲的有质动力相抗衡,因此电子动力学会发生很大的变化。在本文第三章中,我们通过粒子模拟程序(Perticle-in-cell),理论证实了激光脉冲的极化对近临界密度等离子体的电子运动及其伴随的辐射有重要影响。由于RR力和自生磁场的箍缩作用,圆极化(Circle Polarization,CP)激光脉冲中心捕获的电子要比线性极化(Linear Polarization,LP)激光脉冲多。同时,在LP情况下,辐射出的γ光子的角分布具有“双峰”结构的特征;而在CP情况下,电子沿激光传播方向轴向运动,γ射线也沿着正向出射。这些现象上的差异可以作为辐射捕获效应的直接标志,在即将建成的10拍瓦(PW)激光装置上进行实验验证。另一方面,超相对论激光强度下的正负电子对的产生也是近几十年来高能物理和等离子体物理研究的热点之一。目前利用超强激光与固体相互作用是获得高能量密度正负电子对的一种有效手段。本文第四章我们研究了通过增强电子注入由圆偏振激光脉冲驱动的薄膜靶来产生丰富的正负电子对的物理方案。模拟中,我们使用的激光脉冲聚焦强度为1023W/cm2。研究表明,激光光压推动薄膜靶中心作为一个整体向前加速,而两侧激光电磁场通过薄膜靶的边界并被前方的碳靶反射;薄膜靶中被加速的电子注入到碳靶表面,和被碳靶反射的激光对撞,显著增强了非线性康普顿散射辐射的γ光子。最后,我们获得平均能量为14.48 Me V的γ光子,大于1 Me V的光子总数目1014个,并且激光到γ射线的总能源转换效率高达18%。同时产生了包含约1011个正电子,平均能量为160 Me V,最大密度达到6nc(nc为等离子体临界密度)。如此稠密的具有等离子体集体效应的电子束可以广泛应用于实验室天体物理在PW激光装置中开展相关实验,对未来进行高能加速器物理(如正负电子对撞、γ-γ对撞)和强场超快物理等研究也具有一定借鉴价值。
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