極強(qiáng)激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)超亮伽馬輻射和正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生的研究進(jìn)展*

朱興龍 王偉民 余同普 何峰 陳民 翁蘇明陳黎明 李玉同 盛政明? 張杰5)

1) (上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院, 激光等離子體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240)

2) (中國(guó)人民大學(xué)物理系, 北京 100872)

3) (上海交通大學(xué), IFSA 協(xié)同創(chuàng)新中心, 上海 200240)

4) (國(guó)防科技大學(xué)物理系, 長(zhǎng)沙 410073)

5) (中國(guó)科學(xué)院物理研究所, 北京 100190)

6) (上海交通大學(xué), 李政道研究所, 上海 200240)

1 引 言

激光器是20 世紀(jì)以來繼原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)之后, 人類科技史上的又一重要發(fā)明.因具有方向性、單色性、相干性、強(qiáng)光場(chǎng)、高亮度等特點(diǎn),被稱為地球上“最亮的光”、“最準(zhǔn)的尺”和“最快的刀”.自20 世紀(jì)60 年代第一臺(tái)激光器誕生以來[1],它極大地推動(dòng)了科技進(jìn)步并徹底改變了人類的生活, 現(xiàn)已成為科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)治療、工業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防等領(lǐng)域中不可或缺的重要工具.在商用激光器獲得廣泛應(yīng)用的同時(shí), 強(qiáng)場(chǎng)激光裝置正在成為拓展人類認(rèn)識(shí)邊界的國(guó)之重器.超短超強(qiáng)激光技術(shù)的出現(xiàn),使得人們能夠以前所未有的超高時(shí)間分辨率追蹤微觀世界中的超快過程, 或者在前所未有的高強(qiáng)度電磁場(chǎng)環(huán)境下研究宇宙中的極端物理現(xiàn)象[2,3].在過去的幾十年里, 超強(qiáng)超快激光技術(shù)打開了許多新的學(xué)科前沿[4,5], 例如激光等離子體物理與核聚變、強(qiáng)場(chǎng)物理、超快和阿秒科學(xué)、新型粒子加速器技術(shù)等領(lǐng)域.

早在十多年前, 人們已經(jīng)可以獲得數(shù)十太瓦級(jí)的高功率商用激光器, 產(chǎn)生強(qiáng)度超過1018W/cm2的超強(qiáng)飛秒激光脈沖, 使得光與物質(zhì)相互作用進(jìn)入到相對(duì)論非線性區(qū)域.如此強(qiáng)的光場(chǎng)可以瞬間將物質(zhì)電離并形成高溫高密度等離子體.等離子體中的電子被強(qiáng)激光場(chǎng)劇烈加速, 速度接近光速, 導(dǎo)致相對(duì)論效應(yīng)變得非常顯著.強(qiáng)激光和等離子體相互作用伴隨著高能粒子加速、高次諧波產(chǎn)生、超亮X/γ射線輻射等物理現(xiàn)象[6-8].隨著國(guó)際上大量的數(shù)拍瓦與十拍瓦級(jí)激光裝置的建造, 以及一些百拍瓦級(jí)激光裝置的籌建, 未來有望在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)達(dá)到甚至超過1023W/cm2的超高強(qiáng)度激光脈沖, 如圖1 所示.我國(guó)的超強(qiáng)超短激光裝置在過去的幾十年內(nèi)飛速發(fā)展, 取得了舉世矚目的成就.例如, 上海超強(qiáng)激光裝置在國(guó)際上率先實(shí)現(xiàn)了十拍瓦峰值功率的輸出, 創(chuàng)造了世界紀(jì)錄, 被國(guó)際著名《科學(xué)》雜志譽(yù)為強(qiáng)激光發(fā)展史上的五個(gè)里程碑工作之一.數(shù)十拍瓦激光裝置正在把光與物質(zhì)作用推向極強(qiáng)場(chǎng)范疇, 由此將會(huì)激發(fā)許多新的物理效應(yīng), 諸如強(qiáng)輻射阻尼效應(yīng)、多光子非線性Compton 散射、超亮伽馬輻射和正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生等非線性量子電動(dòng)力學(xué)(quantum electrodynamics,QED)效應(yīng)[9,10].本文簡(jiǎn)要回顧國(guó)內(nèi)外在超強(qiáng)激光等離子體相互作用下產(chǎn)生超亮伽馬輻射和稠密正負(fù)電子對(duì)方面取得的研究進(jìn)展, 并對(duì)未來發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)進(jìn)行簡(jiǎn)單敘述, 以期讓讀者對(duì)該領(lǐng)域有一整體的了解.

2 超亮伽馬輻射源的產(chǎn)生、應(yīng)用和主要挑戰(zhàn)

高能輻射源已成為當(dāng)今基礎(chǔ)科學(xué)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)和國(guó)防等領(lǐng)域中必不可少的工具, 具有廣泛的研究與應(yīng)用價(jià)值.德國(guó)物理學(xué)家倫琴因發(fā)現(xiàn)X 射線[11]而成為首位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主.這一偉大的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了X 射線成像學(xué), 為醫(yī)學(xué)診斷鋪平了道路, 也揭開了20 世紀(jì)物理學(xué)革命的序幕, 并為許多重大的科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供了探測(cè)工具.然而, 隨著諸多前沿科學(xué)領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的發(fā)展需求, 還亟需產(chǎn)生更高光子能量、更高峰值亮度、更短脈沖寬度和更小尺寸的超亮高能輻射源[12-14].例如, 在研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)反應(yīng)中, 需要的時(shí)間尺度一般為飛秒量級(jí), 以分辨分子的振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)、化學(xué)鍵斷裂與形成、電荷轉(zhuǎn)移等超快過程.對(duì)于原子內(nèi)電子和核子動(dòng)力學(xué)研究, 則需要脈沖寬度短至阿秒甚至仄秒尺度, 以及光子能量高達(dá)硬X 射線乃至伽馬射線范疇的超亮超短高能光源.高能伽馬射線源將使得致密物體的輻射成像成為可能, 從而可以呈現(xiàn)低能X 射線源所無法看到的物體.另外, 具有微米尺寸和飛秒脈沖寬度的高能輻射源將實(shí)現(xiàn)更高分辨率的成像效果.

圖1 聚焦激光強(qiáng)度隨時(shí)間的發(fā)展歷程及其相應(yīng)的物理研究范疇[4]Fig.1.Progress of the focused laser intensity over years and the development of laser-driven physics[4].

隨著大型同步輻射裝置的更新?lián)Q代[15]和X 射線自由電子激光(X-ray free-electron laser, XFEL)的建造[12], 人們已經(jīng)可以獲得X 射線波段的高亮度輻射光源, 其產(chǎn)生的峰值亮度范圍分別為1019—1024和1027—1032(單位是photons/(s·mm2·mrad2·0.1%BW)).并且, 由于同步輻射與XFEL光源在能譜、源尺寸、時(shí)間脈沖方面具有很好的可調(diào)控性, 因此在基礎(chǔ)研究、新材料設(shè)計(jì)和制備、生物、工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的用途.但是, 這類大型裝置高昂的造價(jià)、大尺寸規(guī)模、較少的數(shù)量等情況限制了它們的用戶范圍.此外, X 射線自由電子激光器和同步輻射裝置所產(chǎn)生的輻射光子能量通常在1 MeV 以下, 因此怎樣產(chǎn)生更高光子能量的高亮度伽馬射線脈沖是亟需解決的問題.另一方面, 雖然基于超熱電子與固體靶相互作用觸發(fā)的軔致輻射可以產(chǎn)生MeV 能量段的伽馬射線源[16-18], 但是獲得的脈寬長(zhǎng)達(dá)皮秒量級(jí)、尺寸寬達(dá)百微米、發(fā)散角高達(dá)百毫弧度, 從而難以實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)直性的超亮伽馬射線脈沖.為此, 2018 年德國(guó)的Keitel 研究組[19]提出利用數(shù)GeV 能量的高品質(zhì)稠密電子束與固體靶作用, 通過激發(fā)的電磁不穩(wěn)定性可以產(chǎn)生高能類同步輻射, 比軔致輻射產(chǎn)生的光子數(shù)目和能量轉(zhuǎn)換效率高幾個(gè)數(shù)量級(jí), 故有望實(shí)現(xiàn)超亮伽馬射線源.然而, 該方案需要的較高質(zhì)量(6%能散、0.8 mrad 發(fā)散角)稠密(約1020cm—3) GeV 電子束, 超出了現(xiàn)有的激光等離子體加速器技術(shù)所能夠達(dá)到的水平, 所獲得的伽馬射線峰值亮度為1025photons/(s·mm2·mrad2·0.1%BW).目 前 還少有能夠產(chǎn)生10 MeV、甚至GeV 量級(jí)的超亮超短強(qiáng)伽馬射線輻射源的有效方法.

2.1 基于激光尾場(chǎng)加速器產(chǎn)生超亮伽馬輻射源的研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)

近年來, 基于等離子體的激光尾波場(chǎng)加速器研究得到了迅速的發(fā)展[20-22].激光尾波場(chǎng)可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)射頻加速器高三個(gè)數(shù)量級(jí)以上的超高加速場(chǎng), 從而使得加速長(zhǎng)度可以縮短到厘米甚至毫米尺度[23-25].這使得臺(tái)面型高能粒子加速器和超亮高能輻射源成為了可能[6,8].目前, 基于激光尾波場(chǎng)加速器的單級(jí)電子加速能量已經(jīng)可以達(dá)到8 GeV 水平[26], 在未來有望實(shí)現(xiàn)將單級(jí)加速提高至10 GeV水平以及多級(jí)加速達(dá)到1 TeV 量級(jí)的宏偉目標(biāo)[27].基于激光尾波場(chǎng)加速器產(chǎn)生的高能電子, 通過其在尾波場(chǎng)中作劇烈的Betatron 振蕩運(yùn)動(dòng)或在外部電磁場(chǎng)中作同步輻射運(yùn)動(dòng)[28-32], 以及與強(qiáng)散射激光場(chǎng)對(duì)撞通過Thomson 或Compton 散射[33-36], 可以產(chǎn)生高亮度的X/γ射線脈沖.所產(chǎn)生的輻射源脈沖寬度可短至數(shù)飛秒, 光子能量一般處于keV—MeV 范圍內(nèi), 峰值亮度約為1019—1023photons/(s·mm2·mrad2·0.1%BW), 每發(fā)次獲得的光子總數(shù)約為108量級(jí).最終, 獲得的高能輻射源的能量轉(zhuǎn)換效率約為10—6量級(jí).圖2 給出了基于激光等離子體方法、同步輻射源以及自由電子激光裝置所產(chǎn)生的超亮輻射源峰值亮度和光子能量的范圍.表1列出了在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下基于不同物理機(jī)制激光驅(qū)動(dòng)的超亮X 射線和伽馬射線源參數(shù)的比較.近年來, 雖然世界各地科學(xué)家付出了很多努力并提出很多方案來增強(qiáng)激光尾波場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的Betatron 輻射,例如利用高能粒子束驅(qū)動(dòng)的等離子體尾波場(chǎng)[37,38],或增加尾波場(chǎng)中電子的橫向振蕩振幅[39]等, 但是這些方案仍未能解決大幅度提高伽馬輻射源的光子能量、能量轉(zhuǎn)換效率和峰值亮度這一重大的科學(xué)難題.然而, 在許多前沿領(lǐng)域研究中往往需要的是光子能量在MeV 乃至GeV 量級(jí)以上的超高亮度伽馬射線脈沖, 例如研究光與光作用的基本物理過程[40,41]、探索伽馬射線暴[42]、產(chǎn)生與探測(cè)基本粒子[43]、研究核結(jié)構(gòu)或光核物理過程[44,45]、檢驗(yàn)QED效應(yīng)[46]等.

圖2 基于第三代同步輻射源、X 射線自由電子激光[47] (a)和激光等離子體方法[8] (b)所產(chǎn)生的X 射線輻射源的峰值亮度范圍Fig.2.Peak brilliance for different types of X-ray radiation sources from the third-generation synchrotron-radiation sources and XFELs[47] (a) and laser-plasma-based radiation sources[8] (b).

表1 當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中不同物理機(jī)制下激光驅(qū)動(dòng)的X 射線源和伽馬射線源的性能比較Table 1.Comparison of the performance of laserdriven X-ray and gamma-ray sources under different physical mechanisms in current experiments.

2.2 基于極強(qiáng)激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)超亮伽馬輻射源的研究進(jìn)展與挑戰(zhàn)

另一方面, 基于正在建設(shè)的數(shù)十拍瓦高功率極強(qiáng)激光裝置, 研究人員從理論和數(shù)值模擬方面做出了大量的研究, 提出了多種產(chǎn)生超亮伽馬輻射源的方案.例如, 超強(qiáng)激光與臨界密度等離子體靶相互作用[50-52]、極強(qiáng)激光場(chǎng)激發(fā)的輻射阻尼效應(yīng)[53,54]、超強(qiáng)激光與固體靶相互作用[55,56]、強(qiáng)場(chǎng)激光與高能電子對(duì)撞[57,58]、電磁級(jí)聯(lián)效應(yīng)[59,60]等.然而, 這些方案存在著無法避免的物理局限性.比如極強(qiáng)激光場(chǎng)與電子直接作用時(shí)會(huì)導(dǎo)致非常大的發(fā)散角, 難以產(chǎn)生峰值亮度可達(dá)自由電子激光水平的伽馬射線脈沖.獲得的高能輻射源在光子能量、輻射功率和峰值亮度等方面的可調(diào)性也是有限的.此外, 這些方案一般需要光場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到1023W/cm2以上, 以產(chǎn)生GeV 量級(jí)的伽馬光子輻射.這比目前實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的最高激光強(qiáng)度(5.5 × 1022W/cm2)高了約1 個(gè)數(shù)量級(jí)[61].當(dāng)激光強(qiáng)度降低至目前實(shí)驗(yàn)室中可用的光強(qiáng)(約1021W/cm2)范圍時(shí), 上述方案將變得無效或難以產(chǎn)生超亮高能輻射源.這給實(shí)驗(yàn)探索和方案驗(yàn)證帶來了極大的挑戰(zhàn), 限制了這些方案的實(shí)用性.迄今為止, 尚未有合適的方法來實(shí)現(xiàn)峰值亮度可達(dá)X 射線自由電子激光水平的極高亮度伽馬射線輻射源.

3 我國(guó)在超亮伽馬輻射源方面的最新研究進(jìn)展

本節(jié)主要介紹基于極強(qiáng)場(chǎng)激光驅(qū)動(dòng)非線性QED 輻射效應(yīng)產(chǎn)生超亮伽馬射線源方面的研究進(jìn)展.隨著新一代十拍瓦級(jí)超強(qiáng)激光裝置的到來, 例如歐盟極端光學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施、上海超強(qiáng)超短激光裝置、英國(guó)Vulcan 激光裝置、法國(guó)Apollon 激光裝置等, 基于極強(qiáng)激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)等離子體的研究引起了世界各地研究人員的廣泛興趣.歐洲學(xué)者在這方面的研究起步較早, 走在了世界前列, 尤其是在實(shí)驗(yàn)研究方面.例如, 2018 年英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院和貝爾法斯特女王大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合實(shí)驗(yàn), 利用激光尾波場(chǎng)加速的高能電子束與超強(qiáng)激光場(chǎng)對(duì)撞在實(shí)驗(yàn)室中觀察到了強(qiáng)電磁場(chǎng)中的輻射阻尼效應(yīng)[62,63].不過,值得一提的是, 我國(guó)學(xué)者在強(qiáng)場(chǎng)QED 等離子體物理研究方面緊跟國(guó)際前沿, 近年來在理論和數(shù)值模擬方面取得了很多重要的成果.國(guó)內(nèi)已有多家單位在開展QED 等離子體物理方面的研究, 例如上海交通大學(xué)[64-66]、國(guó)防科技大學(xué)[67-69]、北京大學(xué)[70,71]、中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所[52,54]、上海師范大學(xué)[10]、中國(guó)科學(xué)院物理研究所[72]、中國(guó)工程物理研究院[73]、西安交通大學(xué)[74,75]、南華大學(xué)[76,77]、北京師范大學(xué)[78]、深圳技術(shù)大學(xué)[56,79]等.為了能夠產(chǎn)生峰值亮度接近X 射線自由電子激光器、高準(zhǔn)直性的高能伽馬光子束, 最近中國(guó)人民大學(xué)王偉民等[80]和上海交通大學(xué)朱興龍等[66]分別提出了兩種新的方案.此外, 本文還將介紹一些關(guān)于產(chǎn)生超亮阿秒伽馬射線脈沖方面的研究進(jìn)展.下面將逐一介紹這些方案的物理過程和研究結(jié)果.

3.1 超強(qiáng)拍瓦激光驅(qū)動(dòng)絲靶產(chǎn)生超亮伽馬射線源的物理方案

由上文介紹可知, 高能伽馬射線源在廣泛的科學(xué)領(lǐng)域中具有重要的作用, 但想要獲得能量在1 MeV 以上的超亮伽馬射線脈沖仍是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn).為了解決這一難題, 進(jìn)一步將輻射光子的能量提高到GeV 量級(jí), 王偉民等[80]提出了一種利用拍瓦強(qiáng)激光脈沖與細(xì)絲靶作用的新方案, 如圖3 所示.

利用強(qiáng)激光與橫向尺度在激光波長(zhǎng)量級(jí)的固體細(xì)絲靶作用, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用拍瓦量級(jí)功率的驅(qū)動(dòng)激光時(shí), 可以產(chǎn)生顯著的QED 效應(yīng).當(dāng)強(qiáng)激光場(chǎng)與細(xì)絲靶作用時(shí), 一方面在細(xì)絲靶表面將靶電子加速至GeV 量級(jí), 另一方面在靶表面激發(fā)出很強(qiáng)的準(zhǔn)靜態(tài)橫向電磁場(chǎng), 后者在絲靶表面驅(qū)動(dòng)高能電子作強(qiáng)烈的橫向振蕩, 從而激發(fā)超強(qiáng)類同步輻射, 并產(chǎn)生大量的高能伽馬光子.值得一提的是, 高密度固體細(xì)絲靶(或微通道等離子體靶[81])可以引導(dǎo)激光脈沖沿靶表面向前傳播并加速電子向前運(yùn)動(dòng), 產(chǎn)生大電量的準(zhǔn)直GeV 電子束, 獲得的電子束總電量可達(dá)10 nC 量級(jí).相比較而言, 基于氣體靶尾場(chǎng)加速器的電子束電量一般僅有100 pC 量級(jí).與此同時(shí), 強(qiáng)激光場(chǎng)與固體細(xì)絲靶作用所激發(fā)的準(zhǔn)靜態(tài)橫向電磁場(chǎng)可達(dá)1014V/m 量級(jí).在能量為GeV 量級(jí)的電子靜止坐標(biāo)系下, 激發(fā)的振蕩場(chǎng)將接近于Schwinger 臨界場(chǎng)強(qiáng)Esh= 1.32 × 1018V/m(此場(chǎng)強(qiáng)意味著可以在真空中直接激發(fā)產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì))[82].由此引起的高能同步輻射將進(jìn)入到QED范疇, 從而能夠高效地產(chǎn)生高能量的強(qiáng)伽馬射線脈沖, 并且靶表面形成的靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)可以使得產(chǎn)生的高能電子和伽馬光子具有很好的準(zhǔn)直性.王偉民等[80]利用他們自主開發(fā)的三維粒子模擬程序KLAPS 進(jìn)行模擬研究, 結(jié)果表明, 可以產(chǎn)生峰值亮度僅次于X 射線自由電子激光裝置水平的伽馬射線脈沖, 且獲得的光子能量可達(dá)幾十MeV 到幾百M(fèi)eV, 比XFEL 的光子能量高3 個(gè)數(shù)量級(jí).最終, 從激光脈沖到伽馬射線源的能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10%左右.與先前強(qiáng)激光與固體靶作用產(chǎn)生高能伽馬射線的方案相比, 此方案不僅大大降低了對(duì)驅(qū)動(dòng)激光功率的要求, 而且大幅提高伽馬光束的準(zhǔn)直性、大幅降低伽馬光束的橫向尺寸, 因此使得伽馬射線源的峰值亮度得到了極大的提高, 可以達(dá)到1027photons/(s·mm2·mrad2·0.1%BW).

3.2 利用激光等離子體加速器產(chǎn)生極高亮度GeV 伽馬輻射源的物理方案

接下來介紹基于激光等離子體加速器產(chǎn)生的超亮GeV 伽馬射線輻射源的最新研究進(jìn)展.眾所周知, 電子失相長(zhǎng)度是制約激光尾波場(chǎng)加速器的關(guān)鍵因素之一, 它與背景等離子體密度成反比(Ld∝1/ne).因此, 激光尾波場(chǎng)加速機(jī)制通常采用相對(duì)低密度等離子體來加速俘獲電子至更高的能量[6].但是, 高密度等離子體更有利于俘獲電子在尾波場(chǎng)中作強(qiáng)烈的橫向振蕩運(yùn)動(dòng), 從而可以產(chǎn)生光子能量和峰值亮度更高的Betatron 輻射[8].這一內(nèi)在的物理矛盾限制了基于激光尾波場(chǎng)加速器的Betatron 輻射源的發(fā)展, 導(dǎo)致所產(chǎn)生的光子能量一般限制在百keV 能量范圍內(nèi), 光子數(shù)目約為108量級(jí), 峰值亮度只能達(dá)到與第三代同步輻射源裝置相媲美的水平.

圖3 (a)絲靶方案的示意圖; (b) X 射線自由電子激光裝置、同步輻射裝置、基于激光尾場(chǎng)加速器的Betatron 或Compton 散射光源以及該細(xì)絲靶方案產(chǎn)生的伽馬射線源光子能量和峰值亮度的范圍; (c), (d)在不同驅(qū)動(dòng)激光功率條件下所產(chǎn)生的伽馬射線源的角分布和能譜分布, 圖示中“ ×10”表示光子數(shù)放大10 倍[80]Fig.3.(a) Schematic diagram of the wire scheme; (b) chart of photon energy and brilliance of gamma-rays generated from our wire scheme, XFEL, synchrotron radiation facilities, and betatron radiation and Compton scattering based on LWFA; the angular distributions (c) and energy spectra (d) of the generated gamma-rays under different laser powers, where “ ×10” in the legend indicates the photon number multiplied by a factor of 10[80].

為了突破這一困境, 近期上海交通大學(xué)朱興龍等[66]提出了一種基于兩級(jí)激光等離子體加速器的新物理方案, 通過利用適度低密度等離子體加速產(chǎn)生大電量高能稠密電子束、并結(jié)合相對(duì)高密度等離子體來輻射超強(qiáng)伽馬射線脈沖, 如圖4 所示.在該方案中, 首先將一束聚焦光強(qiáng)約為1021W/cm2的拍瓦激光脈沖入射到密度約為1020cm—3的等離子體中, 由此激發(fā)產(chǎn)生一個(gè)高度非線性的等離子體尾波場(chǎng).為了能夠有效地引導(dǎo)激光脈沖在等離子體中長(zhǎng)距離地傳輸, 這里采用了一個(gè)橫向密度分布為拋物線型的等離子體通道靶.在第一級(jí)中, 大量的背景等離子體電子被俘獲到拍瓦激光驅(qū)動(dòng)的高強(qiáng)度非線性尾波場(chǎng)中并被加速, 從而產(chǎn)生密度高達(dá)臨界等離子體密度(1021cm—3)、幾十nC 電量、低發(fā)散角的GeV 電子束.通過這一級(jí)高效的等離子體尾波場(chǎng)加速, 從激光脈沖轉(zhuǎn)換為GeV 電子束的能量轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到40%左右.處于能譜中準(zhǔn)單能峰范圍的電子能量轉(zhuǎn)換效率約為22%, 與文獻(xiàn)[83]中理論預(yù)測(cè)結(jié)果(約20%)是一致的.隨后, 聚焦的強(qiáng)激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)加速電子束共同進(jìn)入一個(gè)密度更高的第二級(jí)等離子體中.在此過程中, 等離子體空泡尺寸發(fā)生劇烈的收縮, 從而進(jìn)一步壓縮俘獲電子束并增強(qiáng)其束密度.另一方面, 在高密度等離子體中,由于尾波相速度的減小引起額外的電子注入, 使得俘獲電子束電量進(jìn)一步增加至40 nC.最終, 獲得的GeV 電子束能量轉(zhuǎn)換效率可提高至50%以上.由此激發(fā)產(chǎn)生更強(qiáng)的準(zhǔn)靜態(tài)自生電磁場(chǎng), 進(jìn)而觸發(fā)量子輻射效應(yīng), 產(chǎn)生光子能量可達(dá)GeV 量級(jí)的超亮伽馬射線脈沖.該方案的獨(dú)特之處在于所獲得的電子加速效率和高能光子輻射效率都非常高.產(chǎn)生的GeV 電子束總能量可超過100 J, 對(duì)應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率約為50%.產(chǎn)生光子能量在1 MeV 以上的伽馬射線輻射效率高達(dá)10%以上.因此, 與之前基于百太瓦級(jí)激光驅(qū)動(dòng)的單級(jí)激光尾波場(chǎng)加速器產(chǎn)生的Betatron 輻射或Compton 散射源方案相比,利用這種超強(qiáng)拍瓦激光驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)等離子體加速器方案有望能夠?qū)①ゑR輻射源的光子數(shù)目、能量轉(zhuǎn)換效率、峰值亮度和輻射功率提高3—4 個(gè)數(shù)量級(jí).

圖4 (a) 利用兩級(jí)激光等離子體加速器產(chǎn)生極高亮度伽馬射線源的原理圖; (b) 三維數(shù)值模擬結(jié)果; (c)伽馬射線源的能譜分布和角分布; (d) 伽馬射線源峰值亮度(單位: photons/(s·mm2·mrad2·0.1%BW))關(guān)于輻射光子能量的分布[66]Fig.4.(a) Concept of extremely brilliant γ-rays from a two-stage laser-plasma accelerator; (b) 3D simulation results of collimated γrays radiation in the two-stage LWFA scheme; (c) the angular-spectrum and angular distribution of the emitted gamma-rays;(d) the gamma-ray peak brilliance (photons/(s·mm2·mrad2·0.1%BW)) as a function of the radiated photon energy[66].

3.3 超亮阿秒伽馬射線脈沖的研究進(jìn)展

眾所周知, 高次諧波輻射為產(chǎn)生阿秒光脈沖提供了一種有效的途徑.但是, 一般通過高次諧波輻射只能獲得極紫外波段的光源, 光子能量限制在keV 能量范圍內(nèi).對(duì)于核物理和核光子學(xué)等研究而言, 還亟需伽馬射線波段的高能強(qiáng)輻射源, 例如研究核內(nèi)動(dòng)力學(xué)、核結(jié)構(gòu)、核共振熒光反應(yīng)等.雖然通過非線性Thomson 或Compton 散射可以產(chǎn)生光子能量高達(dá)數(shù)十MeV 的伽馬射線脈沖, 但是所獲得的脈沖寬度至少為數(shù)飛秒以上.因此, 利用現(xiàn)有的方法難以產(chǎn)生脈寬短至阿秒尺度的伽馬射線源.另一方面, 攜帶角動(dòng)量的光子束將會(huì)提供新的自由度, 為探索光與粒子之間角動(dòng)量轉(zhuǎn)移過程、操控粒子動(dòng)力學(xué)等研究提供可能.目前為止, 尚未有合適的方法產(chǎn)生角動(dòng)量可調(diào)的超亮阿秒伽馬射線脈沖.

圖5 (a) 圓偏振拉蓋爾高斯激光驅(qū)動(dòng)錐-固體薄靶產(chǎn)生超亮阿秒伽馬射線脈沖的示意圖, 在強(qiáng)激光場(chǎng)作用下, 電子(紅色環(huán))從錐壁中被周期性地拉出, 并沿著激光傳播方向被加速; 隨后, 聚焦的強(qiáng)激光場(chǎng)被放置在錐靶外的固體薄靶(藍(lán)色平板)反射, 從而與加速的稠密阿秒高能電子束對(duì)撞產(chǎn)生數(shù)MeV 光子能量的超亮阿秒伽馬射線脈沖(橙綠色環(huán)); (b), (c) 入射激光場(chǎng)和聚焦激光場(chǎng)的強(qiáng)度分布; (d)時(shí)刻t = 14T0 處的電子密度分布; (e) 時(shí)刻t = 30T0 處的伽馬光子密度分布[64]Fig.5.(a) Schematic diagram of attosecond γ-ray pulse generation from a circularly-polarized Laguerre-Gaussian laser-driven conefoil target.Electrons (red rings) are extracted from the cone walls and accelerated by the focusing laser.Then, the focusing laser pulse is reflected by a plasma mirror/foil (blue plate) and collides head-on with the dense energetic attosecond electron bunches, resulting in efficient emission of bright multi-MeV attosecond γ-ray pulses.The spatial distributions of the laser intensity for the incident pulse (b) and in-cone pulse (c).Density distributions of electrons (d) and γ-photons (e)[64].

為此, 朱興龍等[64]提出利用一束圓偏振拉蓋爾高斯激光脈沖與錐-固體復(fù)合靶作用來產(chǎn)生角動(dòng)量可調(diào)的阿秒MeV 伽馬射線脈沖的新方案, 如圖5 所示.該方案為實(shí)現(xiàn)激光聚焦、電子加速和超亮伽馬射線輻射提供了一種全光學(xué)、高效的三合一方法.當(dāng)入射的驅(qū)動(dòng)激光脈沖穿過錐靶時(shí), 其橫向分布將被顯著地聚焦, 聚焦后的光場(chǎng)強(qiáng)度可提高近一個(gè)數(shù)量級(jí), 如圖5(b),(c)所示.在激光場(chǎng)與錐靶(或微通道靶[81])相互作用過程中, 大量背景電子將從錐壁中被周期性地拉出, 形成一串稠密的阿秒電子束列.由此產(chǎn)生一串具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)和百阿秒尺度的超短電子束列.這主要是由圓偏振拉蓋爾高斯激光場(chǎng)的特殊結(jié)構(gòu)所造成的, 該光場(chǎng)在徑向和方位角方向上具有獨(dú)特的電場(chǎng)分量, 呈現(xiàn)出空間周期性的環(huán)形分布.這種獨(dú)特的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致電子動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)特性與常規(guī)的圓偏振高斯激光場(chǎng)與等離子體相互作用情況有著顯著的區(qū)別.在這種結(jié)構(gòu)的激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下, 電子沿著縱向可以被有效地加速, 并逐漸形成間隔約為一個(gè)激光波長(zhǎng)的環(huán)形電子束列.之后, 加速的高能電子束與被固體靶反射的聚焦強(qiáng)激光場(chǎng)對(duì)撞, 從而觸發(fā)非線性Compton 散射輻射,產(chǎn)生一串高亮度的阿秒伽馬射線脈沖, 并獲得與高能電子束相同的環(huán)狀結(jié)構(gòu), 如圖5(e)所示.在該相互作用過程中, 由能量和動(dòng)量守恒可知, 輻射的伽馬光子束將從高能電子束中獲得相應(yīng)的能量和角動(dòng)量.通過改變驅(qū)動(dòng)激光參數(shù)和等離子體靶參數(shù)可以對(duì)加速電子束角動(dòng)量和能量以及產(chǎn)生的伽馬光子束參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié).此外, 利用激光條紋技術(shù)還有望實(shí)現(xiàn)對(duì)阿秒電子動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量和直接探測(cè)[84].

4 超強(qiáng)激光產(chǎn)生稠密GeV 正負(fù)電子對(duì)的研究進(jìn)展

最后介紹另一個(gè)重要的QED 過程, 即利用極強(qiáng)激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生高能正負(fù)電子對(duì)的研究進(jìn)展.正電子是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)反粒子, 自1933 年被發(fā)現(xiàn)以來[85], 它已被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域[86-88].雖然高能稠密正電子源可能普遍地存在于高能天體物理環(huán)境中[89], 例如脈沖星和黑洞等, 并可能涉及到伽馬射線暴的形成[77], 但在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生高能稠密正電子源一直以來都是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn).近年來, 研究人員為此做出了大量的努力, 研究發(fā)現(xiàn)利用高功率強(qiáng)激光脈沖有望為產(chǎn)生高能稠密正負(fù)電子對(duì)源提供新的途徑.例如, 利用數(shù)百焦耳皮秒強(qiáng)激光直接輻照高Z固體靶[90,91]或超強(qiáng)飛秒激光脈沖驅(qū)動(dòng)尾波場(chǎng)產(chǎn)生的高能電子束與高Z固體靶作用[92-94], 通過Bethe-Heitler 過程[95]可以產(chǎn)生相對(duì)論能量的正電子源,但是所獲得的正電子數(shù)密度一般不超過1017cm—3、平均能量?jī)H有數(shù)十MeV 水平.更高能量和數(shù)密度的正電子源對(duì)探究高能天體物理現(xiàn)象、非線性QED過程、正負(fù)電子對(duì)等離子體物理等前沿領(lǐng)域十分重要.

新一代十拍瓦級(jí)激光裝置有望使得聚焦光強(qiáng)達(dá)到1023W/cm2, 導(dǎo)致光與物質(zhì)相互作用進(jìn)入到QED 主導(dǎo)的機(jī)制范疇, 從而觸發(fā)高能伽馬光子輻射和稠密正負(fù)電子對(duì)產(chǎn)生.理論和數(shù)值模擬研究表明, 當(dāng)驅(qū)動(dòng)光強(qiáng)達(dá)到1023W/cm2以上時(shí), 極端強(qiáng)激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的非線性多光子Breit-Wheeler 過程[96]將為產(chǎn)生高能稠密正電子源提供一種有效的途徑[97,98].但是, 在相對(duì)低強(qiáng)度的驅(qū)動(dòng)光場(chǎng)(約1022W/cm2)情況下, 如何能夠高效地獲得準(zhǔn)直的稠密GeV 正負(fù)電子對(duì)源, 并具有準(zhǔn)中性的束流特性和可控的束結(jié)構(gòu), 是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn).另一方面,攜帶角動(dòng)量的高能粒子束具有額外的自由度特性和獨(dú)特的能力, 將為基礎(chǔ)物理研究、粒子屬性探測(cè)、渦旋光產(chǎn)生等方面研究提供一種極具潛力的新手段.在20 世紀(jì)30 年代, 研究人員就已發(fā)現(xiàn)了圓偏振光束具有光力矩的特性[99], 可以將光子自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給帶電粒子[100,101], 從而可以用來操控粒子的運(yùn)動(dòng)特性.隨著激光強(qiáng)度的顯著增加, 例如在強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)電子加速[102,103]和高能光子輻射[64,104,105]等研究中, 這種現(xiàn)象變得高度非線性、并進(jìn)入到相對(duì)論區(qū)域.

針對(duì)上述難題, 2016 年朱興龍等[106]首次提出一種基于雙束拍瓦強(qiáng)激光與充滿近臨界密度等離子體的錐靶作用來實(shí)現(xiàn)激光對(duì)撞機(jī)的全新物理方案, 理論預(yù)測(cè)了高達(dá)數(shù)GeV 能量的稠密正負(fù)電子對(duì)束流和強(qiáng)伽馬射線脈沖的產(chǎn)生.為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)伽馬光束和正電子束流的操控, 2018 年朱興龍等[65]研究并提出利用兩束偏振態(tài)可調(diào)的激光脈沖與臨界密度等離子體作用可以有效地產(chǎn)生角動(dòng)量可調(diào)的超亮伽馬光子束和稠密GeV 正負(fù)電子對(duì)束流.在該機(jī)制中, 等離子體充當(dāng)著“轉(zhuǎn)換介質(zhì)”的作用.首先, 被俘獲的高能電子從驅(qū)動(dòng)激光場(chǎng)中獲得能量和角動(dòng)量, 然后通過非線性Compton 散射產(chǎn)生伽馬光子, 輻射的伽馬光子將從電子束中獲得相應(yīng)的角動(dòng)量.隨后, 通過高能光子與超強(qiáng)散射激光場(chǎng)對(duì)撞, 觸發(fā)多光子Breit-Wheeler 過程來產(chǎn)生高能稠密的正負(fù)電子對(duì)束流.與此同時(shí), 產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)將從湮滅的伽馬光子中獲得相應(yīng)的能量和角動(dòng)量.另一方面, 為了實(shí)現(xiàn)阿秒尺度的正電子束流, 2019 年我們?cè)谇懊婀ぷ鞯幕A(chǔ)上提出了一種可以產(chǎn)生脈寬短至400 as 的超短GeV 正電子束流的方案[107].該方案采用一束十拍瓦級(jí)的線偏振激光脈沖與臨界密度等離子體通道靶作用, 在輻射俘獲效應(yīng)和自生強(qiáng)磁場(chǎng)的共同作用下, 聚焦的強(qiáng)激光場(chǎng)驅(qū)動(dòng)等離子體產(chǎn)生阿秒量級(jí)的俘獲電子束, 并輻射產(chǎn)生阿秒伽馬射線脈沖.隨后, 加速的高能電子束和增強(qiáng)的阿秒伽馬射線脈沖與另一束相向傳播的十拍瓦級(jí)激光場(chǎng)進(jìn)一步作用產(chǎn)生準(zhǔn)直的阿秒GeV 正電子束流.此外, 通過改變等離子體靶長(zhǎng)度和橫向空間分布以及激光等參數(shù)可以進(jìn)一步提高正電子束流和強(qiáng)伽馬射線輻射.

但是, 想要作為未來正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的候選粒子束源, 還必須解決正電子加速、能散、發(fā)射度等關(guān)鍵性的問題.此外, 正電子的極化也是一個(gè)至關(guān)重要的屬性, 它將提高正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的研究能力[87].為此, 近年來研究人員付出了大量的努力,例如基于斯坦福直線加速器產(chǎn)生的20 GeV 正電子束通過其在等離子體中自激發(fā)的尾波場(chǎng)[108]或激光驅(qū)動(dòng)的中空等離子體通道中[109]可以獲得數(shù)GeV 的能量增益; 葡萄牙Vieira 和Mendon?a[110]提出利用相對(duì)論拉蓋爾高斯激光驅(qū)動(dòng)類“甜甜圈”結(jié)構(gòu)的非線性尾場(chǎng)來加速和聚焦外注入的正電子束; 德國(guó)Keitel 研究組[111]提出利用十拍瓦級(jí)超強(qiáng)雙色場(chǎng)與高能GeV 電子束對(duì)撞產(chǎn)生極化正電子束;沈百飛課題組[112]提出在外加數(shù)十特斯拉磁場(chǎng)作用下利用納庫(kù)級(jí)電子束激發(fā)的相干渡越輻射場(chǎng)可以加速獲得數(shù)百M(fèi)eV 的正電子束; 西安交通大學(xué)李彥霏等[75]提出利用極化電子與超強(qiáng)激光場(chǎng)作用產(chǎn)生高度極化的正電子束等.雖然這些方案都取得了一些重要進(jìn)展, 但是仍未解決如何實(shí)現(xiàn)正電子產(chǎn)生、加速和極化這一整體連貫的物理過程.值得一提的是最近上海交通大學(xué)與西安交通大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)提出利用中空電子束驅(qū)動(dòng)非線性尾波場(chǎng)來俘獲、加速和聚焦自產(chǎn)生的極化正電子束[113], 有望為這一難題提供新的思路.不過, 目前仍有大量難題亟待解決, 例如如何實(shí)現(xiàn)單能正電子加速、提高正電子能量增益、操控正電子極化度和方向等, 以及未來在實(shí)驗(yàn)室中如何進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用.

5 總 結(jié)

世界各國(guó)正在大力興建新一代十拍瓦級(jí)的高功率激光裝置以及積極籌建下一代百拍瓦級(jí)的超高功率激光裝置[9], 有望很快將激光強(qiáng)度推向1023W/cm2以上.這將提供前所未有的極高強(qiáng)度光場(chǎng)來研究QED 效應(yīng)以及超相對(duì)論非線性物理過程等[2,46], 為發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證極端強(qiáng)場(chǎng)下的新物理、以及探索其應(yīng)用提供了可能.理論和數(shù)值模擬在這方面研究中起到了至關(guān)重要的作用, 為理解和認(rèn)識(shí)其中的物理過程提供了詳細(xì)和直觀的物理圖像.隨著高功率激光技術(shù)和實(shí)驗(yàn)條件的不斷發(fā)展, 有理由相信在不久的將來極強(qiáng)場(chǎng)QED 等離子體物理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究將得以實(shí)現(xiàn).