中国科学院物理研究所的王伟民副研究员、李玉同研究员、上海交通大学盛政明教授、张杰教授等人利用强激光脉冲与亚波长细丝靶相互作用,在靶表面激发强烈的“同步辐射”过程,高效地产生高能伽玛光子束。他们通过三维粒子模拟发现:激光功率达到拍瓦量级(1拍瓦=1015瓦),就能出现显著的量子电动力学(QED)效应;这种QED同步辐射,使得产生的伽玛光子亮度仅次于自由电子激光装置,但其光子能量比后者高3个数量级;该高准直的伽玛光子的产生效率能接近10%,比目前广泛研究的基于激光尾场加速的betatron辐射、康普顿散射的效率高5个量级。

近期国内外强激光研究机构成功建造了数拍瓦超强激光装置,并计划进一步建造更强的百拍瓦量级激光装置(譬如,今年诺贝尔奖获得者Mourou教授等人推动的ELI激光装置)。这些装置输出的激光脉冲的聚焦强度能够达到1025 W/cm2,激光电场强度达1016 V/m,由此将强激光与物质相互作用从相对论和经典非线性物理推进到QED主导的领域。为了在该领域开展研究,王伟民、盛政明、李玉同等人在其开发的KLAPS粒子模拟(PIC)程序的基础上,于2016年开发了国内首个QED-PIC程序(请见链接中的文章)。

该团队利用上述程序对强激光脉冲与固体细丝靶之间的相互作用过程进行了研究,发现使驱动激光达到拍瓦量级,就能产生显著的QED效应。当强激光入射到半径为微米的细丝靶时,一方面在细丝靶表面把电子加速至GeV量级,另一方面在靶表面激发出了很强的准静态横向电磁场,后者在细丝靶表面驱动高能电子做横向振荡,并产生同步辐射。激光脉冲沿靶表面引导和加速电子,而固体细丝靶的高密度使得产生的准直GeV电子束的数目非常高,其单脉冲电量可以达到10nC量级,而气体靶尾场加速器的电量仅在100pC(nC = 1000 pC)量级。同时固体细丝靶的高密度使得激光在靶表面形成的准静态横向电磁场非常强,可以达到1014 V/m量级,在电子静止坐标系下,该有效振荡场接近Schwinger临界场强ESh=1.32×1018 V/m(此场强可以在真空中直接激发出正负电子对),在此条件下电子振荡引起的同步辐射已经进入了QED领域,因而能够非常高效地产生准直性良好的高能量、高亮度伽玛射线。三维QED-PIC模拟表明,伽玛射线的亮度仅次于大型X射线自由电子激光装置(XFEL),但其光子能量高达几十MeV到几百MeV(比XFEL高3个数量级),从激光到伽玛射线的转换效率可以接近10%。与通常的强激光与固体靶作用产生高能伽玛射线相比,本方案不仅大大降低了对驱动激光功率的要求,而且大幅提高伽玛射线的准直性、大幅降低其横向尺寸,因此伽玛射线的亮度得到极大提升。这种高能伽玛射线在放射治疗、原子核光学、实验室天体物理、伽玛光子对撞机等领域具有诱人的应用前景。


A为细丝靶方案的示意图:一束拍瓦激光脉冲沿着亚波长细丝传输时,产生的高能电子束沿着细丝靶表面传输,同时在靶表面产生了很强的静电场和静磁场,此电场力和磁场力相互竞争导致电子束垂直于靶表面振荡,从而辐射出高能伽玛光子。B图给出了大型X射线自由电子激光装置(XFEL),大型的同步辐射装置,基于激光尾场加速的betatron或康普顿散射,以及此丝靶方案中产生的伽玛射线能量和亮度的典型值。

该工作以Collimated ultrabright gamma rays from electron wiggling along a petawatt laser-irradiated wire in the QED regime为题发表在PNAS [115, 9911 (2018)]上。

论文链接: http://www.pnas.org/content/115/40/9911