超強(qiáng)激光脈沖的迅速發(fā)展開(kāi)發(fā)了物理學(xué)的新領(lǐng)域，這不僅僅體現(xiàn)在基礎(chǔ)研究中也體現(xiàn)在工程應(yīng)用上。利用激光-靶相互作用產(chǎn)生大量數(shù)MeV光子的前景近期吸引了特別的注意，這是由于這種方法有很多潛在應(yīng)用價(jià)值，其中包括電子偶產(chǎn)生、實(shí)驗(yàn)室天體物理、光子-原子核譜學(xué)、輻射治療以及放射外科學(xué)。

在建的很多激光裝置在不久的將來(lái)可以達(dá)到5 × 1022W/cm2的強(qiáng)度。大多數(shù)早前的模擬計(jì)算表明對(duì)于PW級(jí)激光系統(tǒng)來(lái)說(shuō)在強(qiáng)度低于1023W/cm2時(shí)同步發(fā)射不太可能實(shí)現(xiàn)可觀(guān)激光能量向高能光子的轉(zhuǎn)變。特別地如果要實(shí)現(xiàn)百分之十總能量轉(zhuǎn)化率并使輻射反作用效應(yīng)變得明顯激光強(qiáng)度或者激光功率要有一個(gè)數(shù)量級(jí)的提高。

本文利用2D和3D粒子模擬程序研究了強(qiáng)度為5 × 1022W/cm2PW級(jí)激光脈沖輻照固體密度塊狀靶材時(shí)發(fā)射的光子。第一步檢驗(yàn)了固體厚靶材在被一個(gè)激光脈沖輻照時(shí)的表現(xiàn)，激光參數(shù)和texas PW裝置類(lèi)似。使用5 × 1022W/cm2 PW級(jí)激光脈沖對(duì)幾種不同密度的靶材下進(jìn)行了2D的PIC模擬。具體來(lái)說(shuō)，使用了一個(gè)波長(zhǎng)1μm、線(xiàn)偏振（電場(chǎng)方向在模擬平面內(nèi)）的高斯型脈沖。脈寬100fs。與5 × 1022W/cm2相對(duì)應(yīng)的峰值歸一化振幅是a0≈190。靶初始設(shè)定為完全電離的均勻碳等離子體，電子密度在ne≈4.5nc到ne≈110nc之間，這實(shí)際上對(duì)應(yīng)了泡沫和塑料靶。nc=1.1×1021cm-3是臨界密度。模擬盒子的大小是10×10nm,每個(gè)盒子里有20到50個(gè)電子以及10到20個(gè)離子。

如圖1所示，對(duì)于高密度靶，激光穿入靶材只是由于穩(wěn)定的燒孔效應(yīng)，而在低密度情況下，激光脈沖通過(guò)相對(duì)論誘導(dǎo)透明穿過(guò)靶材。密度掃描顯示數(shù)MeV光子產(chǎn)額隨著相對(duì)論透明的出現(xiàn)而增高。

圖1. 2D模擬下各種密度下激光能量轉(zhuǎn)化為1、10、20MeV光子的效率（板塊（b））。板塊（a）和（c）展示了ne=10nc,時(shí)間為300fs以及ne=50nc,時(shí)間為250fs時(shí)密度和電場(chǎng)的快照，能量超過(guò)10MeV的光子發(fā)射用紅色圈表示。這兩種模擬中輻射能量的時(shí)間積分按照發(fā)射電子的縱向動(dòng)量（（d）和（（f））以及相對(duì)于激光原始傳播軸夾角（（e）和（g））的函數(shù)列出。

圖2. （a）2D通道模擬中300fs時(shí)磁場(chǎng)Bz以及電子密度的快照。（b）樣本電子軌跡（黑色），發(fā)射超過(guò)2MeV（黑圈），發(fā)射超過(guò)30MeV（白圈）的能量。背景的顏色表示了單個(gè)盒子中發(fā)射的能量超過(guò)30MeV光子的個(gè)數(shù)。

然而，這些優(yōu)點(diǎn)的得到是以光子束的方向性為代價(jià)的。傳播在相對(duì)論透明區(qū)的激光束是不穩(wěn)定的。當(dāng)激光脈沖偏離軸向（見(jiàn)圖1（a））時(shí)被脈沖加速的高能電子也會(huì)發(fā)生偏離。由于這些電子主要沿著他們動(dòng)量的方向發(fā)射光子，光子束的方向性變得不確定。

磁場(chǎng)（圖2（a））快照的對(duì)比揭示了電子電流產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)的存在，在通道邊緣清晰可見(jiàn)。通道內(nèi)電子可產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)可以估算為：

假定電子密度ne大致為通道電子密度并且R為通道半徑。這一表達(dá)式同時(shí)假定所有的電子都以相對(duì)論速度前向移動(dòng)，事實(shí)上，一些電子相對(duì)于通道軸線(xiàn)以一定的角度移動(dòng)。雖然公式（2）最終過(guò)高估計(jì)了電子電流以及相應(yīng)的磁場(chǎng)，但提供了一個(gè)數(shù)量級(jí)估計(jì)，B=0.3B0，這與~0.2 B0的模擬觀(guān)測(cè)值相當(dāng)。其中B0≈2×106T，為電磁波的磁場(chǎng)。因此我們可以得到兩個(gè)結(jié)論。第一，估算表明慢變的磁場(chǎng)是由通道內(nèi)的電子團(tuán)產(chǎn)生的。更重要的是等離子體可以維持一個(gè)與激光脈沖相當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)。

強(qiáng)的自生磁場(chǎng)在一定程度上增加了沿通道移動(dòng)電子所感受到的磁場(chǎng)。重要的是由這一磁場(chǎng)施加的力沒(méi)有像在激光場(chǎng)中那樣被電場(chǎng)補(bǔ)償?shù)簟Ｔ赼0=190時(shí)，電子響應(yīng)時(shí)間相對(duì)論修正的結(jié)果離子的響應(yīng)時(shí)間相當(dāng)，因此阻礙了強(qiáng)橫向類(lèi)靜電場(chǎng)的產(chǎn)生。對(duì)典型的自生磁場(chǎng)B~0.2B0，可以得到η2≈4 × 10−3與模擬中觀(guān)測(cè)到的結(jié)果相符。這就證實(shí)了通道內(nèi)增強(qiáng)的gamma射線(xiàn)發(fā)射直接與強(qiáng)的自生磁場(chǎng)有關(guān)。

綜上所述，研究發(fā)現(xiàn)既是是在以上激光強(qiáng)度下在一定密度區(qū)域內(nèi)準(zhǔn)直的數(shù)MeV的光子束可以高效的產(chǎn)生。再這一區(qū)域內(nèi)，在等離子體內(nèi)驅(qū)動(dòng)了準(zhǔn)靜態(tài)MT量級(jí)的磁場(chǎng)：相對(duì)論透明，直接激光加速以及同步發(fā)射。與以往文獻(xiàn)中的密度區(qū)域不同，等離子體密度必須明顯的低于相對(duì)論臨界密度。激光脈沖持續(xù)時(shí)間和等離子體密度必須選擇恰當(dāng)以使強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)域足夠的長(zhǎng)能夠使前向運(yùn)動(dòng)的電子沿著通道多次反彈。對(duì)于PW級(jí)別的激光脈沖，預(yù)先設(shè)計(jì)的靶材結(jié)構(gòu)在與激光相互作用時(shí)內(nèi)部的通道變?yōu)橄鄬?duì)論透明，這一通道可以控制光子束的方向性并且產(chǎn)生數(shù)十TW定向的MeV光子。輻射光子的特性會(huì)使一些在成像、醫(yī)學(xué)治療、同位素產(chǎn)生以及核物理方面的新奇應(yīng)用的發(fā)展成為可能。

　　摘譯自：D. J. Stark, Enhanced Multi-MeV Photon Emission by a Laser-Driven Electron Beam in a Self-Generated Magnetic Field. Physical review letters, 2016, 116: 185003.