超強激光脈沖的迅速發(fā)展開發(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)用價值，其中包括電子偶產(chǎn)生、實驗室天體物理、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可以達到5 × 1022W/cm2的強度。大多數(shù)早前的模擬計算表明對于PW級激光系統(tǒng)來說在強度低于1023W/cm2時同步發(fā)射不太可能實現(xiàn)可觀激光能量向高能光子的轉(zhuǎn)變。特別地如果要實現(xiàn)百分之十總能量轉(zhuǎn)化率并使輻射反作用效應(yīng)變得明顯激光強度或者激光功率要有一個數(shù)量級的提高。

本文利用2D和3D粒子模擬程序研究了強度為5 × 1022W/cm2PW級激光脈沖輻照固體密度塊狀靶材時發(fā)射的光子。第一步檢驗了固體厚靶材在被一個激光脈沖輻照時的表現(xiàn)，激光參數(shù)和texas PW裝置類似。使用5 × 1022W/cm2 PW級激光脈沖對幾種不同密度的靶材下進行了2D的PIC模擬。具體來說，使用了一個波長1μm、線偏振（電場方向在模擬平面內(nèi)）的高斯型脈沖。脈寬100fs。與5 × 1022W/cm2相對應(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，這實際上對應(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,每個盒子里有20到50個電子以及10到20個離子。

如圖1所示，對于高密度靶，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，激光脈沖通過相對論誘導(dǎo)透明穿過靶材。密度掃描顯示數(shù)MeV光子產(chǎn)額隨著相對論透明的出現(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,時間為300fs以及ne=50nc,時間為250fs時密度和電場的快照，能量超過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間積分按照發(fā)射電子的縱向動量（（d）和（（f））以及相對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時磁場Bz以及電子密度的快照。（b）樣本電子軌跡（黑色），發(fā)射超過2MeV（黑圈），發(fā)射超過30MeV（白圈）的能量。背景的顏色表示了單個盒子中發(fā)射的能量超過30MeV光子的個數(shù)。

然而，這些優(yōu)點的得到是以光子束的方向性為代價的。傳播在相對論透明區(qū)的激光束是不穩(wěn)定的。當(dāng)激光脈沖偏離軸向（見圖1（a））時被脈沖加速的高能電子也會發(fā)生偏離。由于這些電子主要沿著他們動量的方向發(fā)射光子，光子束的方向性變得不確定。

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

假定電子密度ne大致為通道電子密度并且R為通道半徑。這一表達式同時假定所有的電子都以相對論速度前向移動，事實上，一些電子相對于通道軸線以一定的角度移動。雖然公式（2）最終過高估計了電子電流以及相應(yīng)的磁場，但提供了一個數(shù)量級估計，B=0.3B0，這與~0.2 B0的模擬觀測值相當(dāng)。其中B0≈2×106T，為電磁波的磁場。因此我們可以得到兩個結(jié)論。第一，估算表明慢變的磁場是由通道內(nèi)的電子團產(chǎn)生的。更重要的是等離子體可以維持一個與激光脈沖相當(dāng)?shù)拇艌觥?br />
強的自生磁場在一定程度上增加了沿通道移動電子所感受到的磁場。重要的是由這一磁場施加的力沒有像在激光場中那樣被電場補償?shù)?。在a0=190時，電子響應(yīng)時間相對論修正的結(jié)果離子的響應(yīng)時間相當(dāng)，因此阻礙了強橫向類靜電場的產(chǎn)生。對典型的自生磁場B~0.2B0，可以得到η2≈4 × 10−3與模擬中觀測到的結(jié)果相符。這就證實了通道內(nèi)增強的gamma射線發(fā)射直接與強的自生磁場有關(guān)。

綜上所述，研究發(fā)現(xiàn)既是是在以上激光強度下在一定密度區(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)動了準(zhǔn)靜態(tài)MT量級的磁場：相對論透明，直接激光加速以及同步發(fā)射。與以往文獻中的密度區(qū)域不同，等離子體密度必須明顯的低于相對論臨界密度。激光脈沖持續(xù)時間和等離子體密度必須選擇恰當(dāng)以使強磁場區(qū)域足夠的長能夠使前向運動的電子沿著通道多次反彈。對于PW級別的激光脈沖，預(yù)先設(shè)計的靶材結(jié)構(gòu)在與激光相互作用時內(nèi)部的通道變?yōu)橄鄬φ撏该鳎@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.