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RSS2023年 35卷 第1期
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2023, 35: 012001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220215
2023, 35: 012002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220145
2023, 35: 012009.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220229
2023, 35: 012012.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220197
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2023, 35: 012001.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220215
摘要:
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。
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。
2023, 35: 012002.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220145
摘要:
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。
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。
2023, 35: 012003.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220066
摘要:
用计算量子场论方法研究了非线性啁啾频率对势阱中正负电子对产生的增强效应。研究了由静态势阱和动态势阱组成的组合势阱中产生的正负电子对的密度、产额和能谱等性质随着啁啾参数的变化，分析了组合势阱的频谱和瞬时束缚态。发现非线性啁啾效应对低频区域比较敏感，与固定频率情况相比可以使粒子数增加2～3倍。与组合势阱相比，非线性啁啾效应对单个振荡势阱更敏感。在低频下单个振荡的势阱中正负电子对产额可提高多个数量级。这是因为在低频下单个振荡的势阱中，主要通过量子隧穿过程产生的正负电子对数目非常低。非线性啁啾效应增加了高频场成分，提高了多光子过程和动力学辅助机制。由于高频抑制作用，所以非线性啁啾效应对高频区域粒子的增量不大，甚至会抑制正负电子对的产生。
用计算量子场论方法研究了非线性啁啾频率对势阱中正负电子对产生的增强效应。研究了由静态势阱和动态势阱组成的组合势阱中产生的正负电子对的密度、产额和能谱等性质随着啁啾参数的变化，分析了组合势阱的频谱和瞬时束缚态。发现非线性啁啾效应对低频区域比较敏感，与固定频率情况相比可以使粒子数增加2～3倍。与组合势阱相比，非线性啁啾效应对单个振荡势阱更敏感。在低频下单个振荡的势阱中正负电子对产额可提高多个数量级。这是因为在低频下单个振荡的势阱中，主要通过量子隧穿过程产生的正负电子对数目非常低。非线性啁啾效应增加了高频场成分，提高了多光子过程和动力学辅助机制。由于高频抑制作用，所以非线性啁啾效应对高频区域粒子的增量不大，甚至会抑制正负电子对的产生。
2023, 35: 012004.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220208
摘要:
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。
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。
2023, 35: 012005.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220216
摘要:
激光驱动的正电子源具有高产额、短脉宽、高能量的优点。采用粒子模拟和蒙特卡罗模拟相结合的方法，对相对论飞秒激光与表面具有微米丝阵结构的调制靶相互作用产生正电子束的过程进行了全三维的模拟研究。结果表明，在激光能量约3.2 J、脉宽约为40 fs的情况下，可得到产额为1011量级、最大能量达120 MeV的超热电子束，其轰击高Z转换靶可达到产额为109量级、截止能量约50 MeV的正电子，且正电子的发散角仅为4.92°。相比于平板靶，表面调制靶的使用可以提高正电子的产额、能量和定向性。
激光驱动的正电子源具有高产额、短脉宽、高能量的优点。采用粒子模拟和蒙特卡罗模拟相结合的方法，对相对论飞秒激光与表面具有微米丝阵结构的调制靶相互作用产生正电子束的过程进行了全三维的模拟研究。结果表明，在激光能量约3.2 J、脉宽约为40 fs的情况下，可得到产额为1011量级、最大能量达120 MeV的超热电子束，其轰击高Z转换靶可达到产额为109量级、截止能量约50 MeV的正电子，且正电子的发散角仅为4.92°。相比于平板靶，表面调制靶的使用可以提高正电子的产额、能量和定向性。
2023, 35: 012006.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220222
摘要:
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。
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。
2023, 35: 012007.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220204
摘要:
非线性康普顿散射被认为是未来超短超强激光与物质相互作用中的主导性物理过程之一。目前大多数相关研究都基于一种主流的非线性康普顿散射物理模型，该模型假设辐射形成距离足够短、对初态和末态自旋求平均与求和、并忽略了参与散射的激光光子的能动量。近年来，一些研究为了在更广阔的参数空间内，更准确地描述非线性康普顿散射，也对这个主流物理模型提出了几种修正和改进。回顾了对非线性康普顿散射主流物理模型进行的几种改进和修正，介绍了它们的适用范围，分析了它们的基本性质并对其物理效应进行了简单讨论。
非线性康普顿散射被认为是未来超短超强激光与物质相互作用中的主导性物理过程之一。目前大多数相关研究都基于一种主流的非线性康普顿散射物理模型，该模型假设辐射形成距离足够短、对初态和末态自旋求平均与求和、并忽略了参与散射的激光光子的能动量。近年来，一些研究为了在更广阔的参数空间内，更准确地描述非线性康普顿散射，也对这个主流物理模型提出了几种修正和改进。回顾了对非线性康普顿散射主流物理模型进行的几种改进和修正，介绍了它们的适用范围，分析了它们的基本性质并对其物理效应进行了简单讨论。
2023, 35: 012008.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220375
摘要:
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。
2023, 35: 012009.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220229
摘要:
在过去的几十年里，超短超强激光在等离子体中激发尾场加速电子束取得了长足的发展，基于该方式获得的高能电子束可以应用于辐射源的产生，其产生的高亮度强辐射源受到了广泛的关注。介绍了超短超强激光脉冲与低密度等离子体相互作用产生Betatron辐射的基本原理和研究现状；结合X-ray应用需求分析了Betatron辐射的发展趋势，发现迫切需要发展基于紧凑型激光装置的尾场电子加速新方案，以突破Beam-loading效应对电量的限制，产生大电量电子束，进而获得高流强的Betatron辐射源；介绍了北京大学颜学庆教授领导的联合团队利用数百TW飞秒激光产生10 nC级大电量高能电子束和单发光子数目为\begin{document}$ 1.0\times {10}^{12} $\end{document} ![]()
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在过去的几十年里，超短超强激光在等离子体中激发尾场加速电子束取得了长足的发展，基于该方式获得的高能电子束可以应用于辐射源的产生，其产生的高亮度强辐射源受到了广泛的关注。介绍了超短超强激光脉冲与低密度等离子体相互作用产生Betatron辐射的基本原理和研究现状；结合X-ray应用需求分析了Betatron辐射的发展趋势，发现迫切需要发展基于紧凑型激光装置的尾场电子加速新方案，以突破Beam-loading效应对电量的限制，产生大电量电子束，进而获得高流强的Betatron辐射源；介绍了北京大学颜学庆教授领导的联合团队利用数百TW飞秒激光产生10 nC级大电量高能电子束和单发光子数目为
2023, 35: 012010.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220114
摘要:
强光子辐射导致的自旋极化等离子体是强激光与物质相互作用领域兴起的新研究方向。基于等离子体的自旋极化粒子束在固态材料诊断、原子核结构探测、弱电相互作用分析等方面具有广泛应用。同时，自旋作为电子的固有属性，它可为描述等离子体的行为状态提供新的信息自由度，因此自旋极化信号在强场等离子体自诊断也具有潜在应用。概述了在超强相对论等离子体中，由伽马光子辐射伴随的自旋翻转产生的自旋极化等离子体的物理机制，并对其在超高能量密度等离子体瞬态动力学反演的可能进行了介绍。
强光子辐射导致的自旋极化等离子体是强激光与物质相互作用领域兴起的新研究方向。基于等离子体的自旋极化粒子束在固态材料诊断、原子核结构探测、弱电相互作用分析等方面具有广泛应用。同时，自旋作为电子的固有属性，它可为描述等离子体的行为状态提供新的信息自由度，因此自旋极化信号在强场等离子体自诊断也具有潜在应用。概述了在超强相对论等离子体中，由伽马光子辐射伴随的自旋翻转产生的自旋极化等离子体的物理机制，并对其在超高能量密度等离子体瞬态动力学反演的可能进行了介绍。
2023, 35: 012011.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220209
摘要:
温稠密物质状态是惯性约束聚变过程及天体演化过程中的重要物质发展阶段。随着密度的增加，量子效应逐渐显现并导致包括温稠密参数下集体激发行为与经典等离子体模型之间出现差异。密度泛函动理学方法是基于含时密度泛函理论建立的统计模型，并依据Wigner分布函数(相空间量子力学)发展的动理学输运方法，可以有效弥补经典等离子体理论对量子效应的忽略。基于密度泛函动理学方法，发现温稠密特征参数内费米狄拉克分布、交换关联效应、量子衍射效应等性质都对双流不稳定性起到抑制作用。密度泛函动理学方法有望为等离子体视角研究温稠密系统输运性质提供第一性的理论平台。
温稠密物质状态是惯性约束聚变过程及天体演化过程中的重要物质发展阶段。随着密度的增加，量子效应逐渐显现并导致包括温稠密参数下集体激发行为与经典等离子体模型之间出现差异。密度泛函动理学方法是基于含时密度泛函理论建立的统计模型，并依据Wigner分布函数(相空间量子力学)发展的动理学输运方法，可以有效弥补经典等离子体理论对量子效应的忽略。基于密度泛函动理学方法，发现温稠密特征参数内费米狄拉克分布、交换关联效应、量子衍射效应等性质都对双流不稳定性起到抑制作用。密度泛函动理学方法有望为等离子体视角研究温稠密系统输运性质提供第一性的理论平台。
2023, 35: 012012.
doi: 10.11884/HPLPB202335.220197
摘要:
对利用激光进行霍金-安鲁辐射实验的研究现状和实验挑战点等方面进行综述。霍金-安鲁辐射是量子引力理论的重要推论之一。对其进行实验观测研究，将对量子引力理论、大统一理论、乃至万物终极理论的发展具有重要推动作用。霍金-安鲁辐射可以通过强激光、储存环、潘宁阱、声学、玻色-爱因斯坦凝聚等各种实验手段加以研究，其中借助强激光有两类方法：人工光学黑洞和强激光加速。前者是利用介质的非线性效应，产生一个光波传播的视界，进而对视界附近的量子现象，包括霍金-安鲁辐射，进行研究；后者是利用超强激光场对电子施加的超高加速度来研究电子的霍金-安鲁辐射等特性。
对利用激光进行霍金-安鲁辐射实验的研究现状和实验挑战点等方面进行综述。霍金-安鲁辐射是量子引力理论的重要推论之一。对其进行实验观测研究，将对量子引力理论、大统一理论、乃至万物终极理论的发展具有重要推动作用。霍金-安鲁辐射可以通过强激光、储存环、潘宁阱、声学、玻色-爱因斯坦凝聚等各种实验手段加以研究，其中借助强激光有两类方法：人工光学黑洞和强激光加速。前者是利用介质的非线性效应，产生一个光波传播的视界，进而对视界附近的量子现象，包括霍金-安鲁辐射，进行研究；后者是利用超强激光场对电子施加的超高加速度来研究电子的霍金-安鲁辐射等特性。
