超短超强激光等离子体物理专题综述

超短超强激光等离子体物理专题综述

超短超强激光等离子体物理是随着激光技术的发展而快速兴起的一门交叉学科，主要研究强激光与物质相互作用形成的等离子体结构、演化及应用。近年来，随着新一代超高功率激光技术的蓬勃发展，数十至百拍瓦激光已经或即将投入使用，激光强度将进一步提升至10²³—10²⁴ W/cm²，激光等离子体物理作用中的过程会更为丰富多彩。

超短超强激光等离子体物理专题

强激光等离子体物理是随着激光技术的发展而快速兴起的一门交叉学科，主要研究强激光与物质相互作用形成的等离子体结构、演化及应用。其研究内容从早期纳秒激光与等离子体作用相关的惯性约束聚变物理，到近年来飞秒激光与等离子体作用的新型加速器和辐射源物理，再到当前和未来以数十至百拍瓦激光等离子体作用的量子电动力学（QED）等离子体物理，逐步得到拓展和深入。其研究成果惠及聚变物理、加速器物理、核物理以及实验室天体物理等等，是一门既面向科学前沿，又针对国家重大需求的基础学科。

最近二十年超短超强激光等离子体物理快速发展得益于1985年发明的啁啾脉冲放大技术（CPA，该技术的发明者Gérard Mourou与Donna Strickland获2018年诺贝尔物理奖）。CPA技术使得激光聚焦强度迅速提升数个量级，超过10¹⁸ W/cm²，从而使激光与等离子体相互作用进入到相对论区域，这使得由皮秒和飞秒激光驱动的，以质子/电子加速，太赫兹和高次谐波辐射，以及全光汤姆孙散射为代表的激光等离子体物理研究取得了巨大的进步。当前，新一代超高功率激光技术正在世界范围内蓬勃发展，数十至百拍瓦激光已经或即将投入使用，激光强度将进一步提升至10²³—10²⁴ W/cm²，激光等离子体物理作用中的过程会更为丰富多彩。以辐射阻尼、正负电子对产生和超亮伽玛射线辐射，以及自旋极化、真空极化为代表的QED效应在激光等离子体作用中将越来越显著，强激光等离子体物理也将从相对论效应主导区域进一步拓展到QED效应显著区域，QED等离子体物理应运而生。利用强激光等离子体实验验证和研究非线性强场QED理论已成为可能，这些研究也为开拓高能伽玛射线源，自旋极化高能粒子束等应用奠定了基础。

鉴于本领域在近二十余年的快速发展以及大量未知现象亟待探索，《物理学报》组织本专题。我们邀请了国内部分活跃在该领域前沿的中青年专家撰稿，全面、深入地探讨该领域最新研究成果以及未来潜在的发展方向。本次专题主要涉及以下两方面内容：一是介绍激光等离子体加速高能电子、质子，以及太赫兹和高次谐波辐射的理论和实验研究，这部分内容主要是对过去国内外成果的总结，并对其应用做出展望；二是在理论上展示未来超强激光将带来的新物理、新现象，包括辐射阻尼、超亮伽玛射线辐射和极化粒子加速，以及强场X射线激光物理等。在激光发明走过60周年，正步入一个全新发展阶段之际，我们期待该专题能够对强激光在等离子体等领域的发展给与概述性的介绍，对本领域未来发展做出展望，并对国内同行的学术交流做一点贡献。受水平及时间所限，本专题所反映的研究现状难免挂一漏万，错失和不当之处恳请各位同仁不吝指正。

高能自旋极化电子和正电子束及γ射线

高能自旋极化电子和正电子束及γ射线在高能物理、实验室天体物理和核物理等领域具有重要的应用价值，因此高效产生这些极化束流吸引了广泛的研究兴趣。近年来，随着超短超强激光脉冲技术的快速发展，现代激光脉冲可以达到10²²—10²³ W/cm²的峰值强度，脉冲持续时间为数十飞秒。这种激光脉冲与物质相互作用的机制已经从线性区域扩展到非线性区域，如多光子吸收、非线性康普顿散射和布雷特-维克尔对产生等。利用激光-物质相互作用中的自旋依赖非线性康普顿散射和多光子布雷特-维克尔散射，可以开辟一条产生高自旋极化、高密度、高能电子和正电子束以及飞秒级脉冲宽度γ射线的新途径。本文简要回顾了激光-物质相互作用产生极化电子和正电子束及γ射线的研究进展，并介绍了其原理和主要结论。

高品质激光尾波场电子加速器

激光尾波场加速的梯度比最先进的射频加速器高3-4个数量级，在电子加速领域具有独特优势。随着应用领域的不断发展，对电子束的质量提出了更高的要求。实现高稳定性、高能量、高电荷量、窄脉宽和低发射度是电子加速领域的长期研究方向。本文主要总结了上海光学精密机械研究所相关研究团队在电子加速方面的研究成果。基于激光尾波场加速的电子束能量主要受到脱相长度和激光泵浦损耗长度的限制。针对激光尾波场加速的两个阶段无法独立控制、等离子体密度难以平衡的问题，提出了一种级联加速方案，将注入阶段和加速阶段分离。注入阶段采用较高的等离子体密度，加速阶段采用较低的等离子体密度。低密度的加速阶段具有较长的脱相长度，可以在不影响电子注入的情况下获得更高的加速能量。最终在实验中获得了GeV量级的电子束能量。为了获得高质量的电子束，通过能量啁啾控制实验获得了低能散电子束。引入同时表征电子束发射度、电荷量和脉宽等多个质量参数的六维相空间亮度。仅具有高质量的电子束难以实现长距离传输和自由电子激光的产生。对于自由电子激光的发展，电子束的传输和调制同样重要。考虑到从电子生成到实现主动控制、更高质量和更高稳定性的需求，需要实时监测激光与等离子体的相互作用过程，通过诊断获得参数。设计和优化了适用于激光尾波场电子加速的多种诊断方案，实现了不同位置电子束的单次测量，如利用贝他辐射反演测量超低发射度。讨论了激光多丝化对产生的电子束质量的影响。

强激光与等离子体相互作用驱动的高次谐波和阿秒辐射研究进展

实现超快过程的检测和控制有助于在微观层面理解和重塑物理世界。具有阿秒时间分辨率和纳米空间分辨率的阿秒光源可以实现物质原子尺度电子动力学及其相关效应的实时检测和操控。因此，阿秒科学被认为是激光科学历史上最重要的里程碑之一，已被列为未来10年的重要科学技术发展方向。强激光与物质相互作用产生的高次谐波（HHG）是突破飞秒极限、实现明亮阿秒脉冲辐射的重要途径之一，近年来引起了广泛关注。经过20多年的发展，基于激光-气体相互作用的阿秒脉冲产生研究已经达到了成熟阶段。目前世界上产生的最短孤立脉冲宽度仅为43阿秒。然而，基于电离-加速-重组的这种方法在追求相对论强度的阿秒脉冲和最高可能的光子能量方面遇到了不可避免的困难。大量研究表明，激光-等离子体相互作用产生的HHG效率比气体介质中高几个数量级，这使得产生更短脉宽和更高光子能量的脉冲成为可能。本文介绍了激光-等离子体相互作用过程中HHG的主要产生机制、研究进展和前沿应用。在第二部分，介绍了描述非相对论激光驱动HHG过程的相干尾场发射机制，解释大多数相对论条件下等离子体-真空界面产生的HHG的相对论振荡镜机制，以及解释孤立电子片同步发射HHG的相干同步辐射机制。第三部分从辐射效率、偏振特性、相位特性、孤立阿秒脉冲的产生和诊断等方面总结了研究进展。最后一部分介绍了这些超宽带强阿秒脉冲的前沿应用，包括电子动力学研究、相干衍射成像、极端物质状态诊断、超强场生成等。最后展望了未来的发展趋势和创新突破。

激光驱动高能质子加速的实验进展与新加速方案

激光与等离子体相互作用驱动高能离子加速是激光等离子体物理和加速器物理领域的前沿课题。激光驱动离子加速经过近20年的发展取得了重大成功，并催生了许多新的应用。本文综述了激光驱动高能质子加速的重要实验进展，讨论了影响加速的关键问题，并介绍了近年来发展的一些新加速方案，有望产生超过200 MeV的质子。

强场X射线激光物理

相干X射线源，特别是X射线自由电子激光（XFEL）的发展，为达到强X射线场提供了一种新方法。随着X射线束具有高光子能量、高强度和超短脉冲持续时间，强场激光物理将从光学扩展到X射线区域。目前，基于高强度X射线束源已经探索了非线性原子物理和非线性分子物理。随着X射线强度的增加，它们将扩展到相对论物理和量子电动力学（QED）物理领域，为创新研究粒子加速和辐射、QED真空、暗物质生成和真空双折射提供了新机遇。本文综述了基于强X射线激光场的尾场加速、真空双折射以及轴子生成和探测。高强度X射线脉冲在基础科学和实际应用中都显示出独特的潜力。最后，描述了强场X射线物理的未来发展趋势和前景。

全光汤姆孙散射

随着激光和加速器技术的发展，粒子能量和场强度的提高，电子与光子的散射过程将进入高度非线性区域，其中多光子过程发生，量子电动力学开始发挥作用。在不久的将来，随着多拍瓦激光设施的运行，这些效应将变得可用。本文综述了电子-光子散射实验的最新进展，从单光子或少光子区域到高阶多光子区域。在散射过程中，产生准直的高能X/γ射线光子，使其有可能实现紧凑的桌面式亮光源，也称为逆康普顿散射源。最后讨论了散射实验的前景和挑战。

飞秒超强激光驱动的太赫兹辐射实验研究

强大的太赫兹（THz）辐射源对THz科学的发展至关重要。高能量强场THz脉冲在物质的超快控制和THz驱动电子加速等领域具有重要应用。近年来，超强激光-等离子体相互作用被提出作为产生强场THz的新方法。本文报道了固体靶在10 TW飞秒激光脉冲照射下产生THz辐射的实验结果。研究了THz能量随激光能量和离焦量的变化。发现THz能量和激光到THz的能量转换效率随激光能量的增加呈非线性增长。在最大激光能量约为270 mJ时，测量到的THz脉冲能量为458 μJ，对应的激光到THz能量转换效率为0.17%。实验中没有观察到饱和迹象，表明在更高激光能量下可以实现更强的THz辐射。通过同时监测后向散射激光光谱，定性地理解了观察到的THz辐射随激光能量和激光离焦距离的变化与不同激光强度下的电子加热机制密切相关。通过使用不同的带通滤波器和线栅偏振器，表征了THz光谱和偏振。THz辐射覆盖了从0.2 THz到30 THz的超宽带，显示出径向偏振分布。通过拟合测量的THz光谱与相干过渡辐射理论，推断出THz脉冲持续时间为约30 fs。在THz焦斑约为1 mm的尺寸下，THz场强度估计为3.68 GV/m。这种强场THz源将使极端THz-物质相互作用的研究成为可能。

基于激光尾波场加速的自反射全光汤姆孙散射参数优化

基于激光尾波场加速的全光汤姆孙散射可以提供高质量的X射线并大大减小源尺寸。与两脉冲设置相比，自反射设置可以降低实验中对时间和空间同步的要求。然而，由于汤姆孙散射与激光尾波场加速耦合，优化X射线变得困难。本文通过数值模拟修正理论公式，定量分析了激光尾波场加速和汤姆孙散射中的参数，如激光和电子束的光斑大小、持续时间和能量，以及等离子体镜的反射率。然后可以使用修正的公式而不是数值模拟来追踪参数，具有相似的精度和更少的时间。修正的公式也被用于在给定激光条件下优化自反射全光汤姆孙散射X射线。通过改变等离子体密度和等离子体镜的位置，可以获得最佳的X射线亮度和光子数。

激光驱动辐射反应效应与极化粒子加速

在强度超过10²² W/cm²的激光等离子体相互作用进入了一个新领域，其中γ光子发射和由此产生的辐射反应效应占主导地位。在极端激光场中，高能电子会有效地发射γ光子，带走大量能量，并对辐射电子施加强大的反作用力。当辐射功率与电子在一定时间内获得的能量相当，辐射反应（RR）效应变得显著，从根本上改变了激光等离子体相互作用的图景。本文介绍了辐射反应力的物理原理，包括经典描述和量子描述。讨论了量子电动力学（QED）RR过程中的随机发射和粒子自旋效应。总结了激光等离子体相互作用中的RR诱导现象和一些提出的RR测量方法。作为补充，还介绍了基于激光等离子体加速产生极化粒子的最新进展，这为验证QED-RR效应提供了极化束源。

在经典图像中，RR力可以用朗道-利夫希茨（LL）方程来描述，它消除了洛伦兹-亚伯拉罕-狄拉克（LAD）方程中的非物理跑离解。阻尼力会导致电子轨迹瞬时反转，电子冷却，甚至高能电子被激光脉冲反射。后者导致在某个阈值处形成“势垒”，阻止任意高能量的电子穿透激光场。一般来说，经典LL方程高估了RR效应，因此需要更准确的量子描述。

当发射光子能量接近电子能量时，辐射变得离散。量子效应出现，即所谓的非线性多光子康普顿散射，必须在强场QED图像中考虑。这在Furry图像中通过使用激光-着装的Volkov态在局部恒定交叉场近似（LCFA）中解决。QED模型通过蒙特卡罗（MC）采样应用于粒子动力学。介绍了量子RR的显著特征——随机光子发射。它允许在经典图像中被禁止的过程出现，如量子“淬火”、量子“反射”等。这些可观测现象验证了强场QED理论。最近，人们对识别QED-RR力中的自旋效应产生了浓厚兴趣。总结了这个主题的最新进展，表明当自旋与光子发射耦合时，不同自旋态的电子经历不同的RR力。

RR力对激光等离子体相互作用有显著影响。综述文章介绍了最近基于QED-MC的PIC模拟结果。一些关键特征包括激光驱动辐射压力加速中的电子冷却和辐射反应陷阱（RRT）机制。在RRT区域，激光脉冲将超过10%的能量传递给γ光子，促进了高效γ射线源和电子-正电子对的产生。此外，文章提到了近年来测量RR效应的主要努力。它依赖于高能电子要么与超强激光脉冲碰撞，要么穿过晶体。初步观察表明，现有理论与实验结果不匹配。需要在SF-QED理论和实验方面进行进一步研究。

最后，综述文章讨论了激光驱动极化粒子加速的补充想法。全光方法将预先极化的气体靶集成到激光尾波场加速中，提供了一个紧凑的全光极化粒子源，这对于强场QED研究、高能对撞机和材料科学非常有利。

极端强激光场中的电子-正电子对产生与亮γ射线发射

高功率超短超强激光脉冲的出现开辟了相对论非线性光学、强场物理、激光驱动惯性约束聚变等新领域。近年来，随着多拍瓦（PW）及以上高功率激光设施的建设，激光与物质相互作用进入了一个新的强场物理领域，涉及极其丰富的非线性物理。除了涉及波粒相互作用、相对论效应和ponderomotive力的经典非线性物理外，量子电动力学（QED）效应也出现，如辐射反应力、电子-正电子对产生、强γ射线辐射、QED级联和真空极化。本文简要概述了极端强激光场中的电子-正电子对产生和亮γ射线发射。