极端强激光与等离子体相互作用中的非线性量子电动力学问题研究

With the advent of the modern laser technology high-power laser facilities have made dramatic progress recently, and the next generation of 10 PW laser system currently under construction may bring intensities of 10^24Wcm^−2 in the next few years. At this intensity level, laser plasma interaction enter the radiation reaction dominated regime and the quantum electrodynamics (QED) effect plays an important role in most laser-plasma interactions, which can induce high energy gamma rays emission and pair production. The investigation of this phenomena will be very useful to understand the mechanism of PW laser plasma interaction. At the same time, it has very important guidance meaning for the future experiments. The work of this project will focus on dynamics of the PW laser interaction with plasmas. By means of theoretical and simulation method discuss the physical mechanism of the RR and nonlinear effects. And further illustrate the relationship between plasma kinetic behavior, RR effect and nonlinear QED effect. In addition, in order to establish effective QED simulation model and its performance optimization provides new thought, also provide important information to establish an effective experimental model in the future.

随着现代激光技术的进步, 超短超强激光脉冲的参数范围在不断地提高, 正在建设的下一代10PW—100PW激光系统在不久的将来可以提供强度达到10^24Wcm^−2的强激光。在这种极端强度的激光与等离子体相互作用过程中辐射阻尼（RR）效应起主导作用并会产生新的物理问题—高能光子和正负电子对的产生等非线性量子电动力学（QED）效应。对这些现象的研究将有助于我们更全面更深入得理解强激光-等离子体相互作用机制,同时对将来的实验具有重要的指导意义。本项目从极端强激光与等离子体相互作用过程中的激光传播、能量吸收、能量输运，电子和离子的运动行为等动力学问题的研究出发，采用理论和模拟方法，经建立适当的理论和计算机模型来探讨极端强激光条件下RR和QED效应的产生机理，进而阐明等离子体动力学行为和RR效应与非线性QED效应之间的关系。此外，为建立有效地QED粒子模拟模型及其性能优化和未来的实验提供新思路。

本项目主要对超强激光与等离子体相互作用中的量子电动力学( QED)效应其相关的内容进行研究并得到了一些有价值的结果。 1. 研究了强激光与等离子体相互作用中的QED效应对激光能量吸收的影响。在量子电动力学情况下，电子集体振荡的阻尼导致激光能量的强吸收。因此研究强场QED问题时，用QED理论来研究相关问题是必要的。在强激光与等离子体相互作用过程中能否产生高能辐射和正负电子对是与激光能量的吸收率有关。2. 我们通过2D PIC模拟方法研究发现，激光尾场加速的电子束与超强激光相互作用中可以产生两组高能量的伽玛射线。另外，我们对伽玛光子的产生和预等离子体的各参数、激光偏振之间的关系进行研究并找到优化参数。 3. 我们通过2D PIC 模拟方法研究了超强激光与高能电子束相互作用过程中产生伽玛光子和正电子的问题。 当圆偏振激光与相对论电子束相互作用过程， 由于激光电场的旋转， 出现正电子的锯齿形空间分布 。 与其不同， 在线偏振情况下， 电场具有横向震荡特点， 结果得到在空间条形分布的正电子 。 另外，研究结果表明，当使用圆偏振激光脉冲时， 可以产生更多的高能量光子和正电子。4. 我们通过QED-PIC模拟方法研究了伽马光子和正负电子对产生和靶参数之间的关系，给出了最大激光能量转换率所对应的最佳靶密度和靶厚度，同时研究了伽玛光子和正电子产生率和激光参数之间的关系。以上研究在激光等离子体相互作用和相关QED研究具有一定的研究意义。