超强激光和固体靶作用产生正负电子对的研究

发布时间：2020-05-04 20:50

【摘要】：激光的发明为科学技术发展提供了强有力的研究工具。强激光与物质相互作用时,物质中的分子和原子将发生电离,整个物质形态呈现出等离子体状态,激光等离子体物理应运而生。近年来,随着激光技术的不断发展,激光等离子体领域涉及了惯性约束聚变、高次谐波辐射、电子离子加速等多个研究方向,其应用前景涉及了能源、医疗、加速器和诊断探测等。激光等离子体中物理过程的丰富多样性以及其应用前景的广泛性,使得越来越多科研工作者投入到该领域的工作中来。当激光的功率小于PW,聚焦功率密度小于10~(22)W/cm~2时,激光与靶作用主要涉及到经典多体问题、经典电动力学和电离理论。随着10PW激光器的建造和应用,量子场论也将进入激光等离子体领域。量子电动力学(QED)理论描述了电磁相互作用,是量子场论中最成熟的理论,也是目前最为精确的理论之一。量子电动力学的引入可以为激光等离子体领域解决辐射阻尼问题和新粒子的产生问题。本文利用经典电动力学和量子电动力学相结合的粒子模拟程序(PIC)研究了超强激光和固体靶相互作用中正负电子对的产生过程,主要内容分为以下三个方面:1.研究了单束10PW激光和高密度固体靶相互作用中正负电子对的产生,以及影响正负电子对产生的因素。首先,我们利用不同脉宽的线偏振激光和不同横向尺度的靶相互作用,发现当激光脉宽较小时,横向尺度接近焦斑大小的靶中能产生较多的正负电子对;当激光脉宽较大时,横向尺度较大的靶能产生较多的正负电子对。而正电子的角分布不受激光脉宽的影响,2μm的靶中产生的正电子的准直性最好。其次,我们研究同样能量的圆偏振激光和固体靶相互作用时,发现圆偏振激光驱动下正电子的产生时间和线偏振相比有了明显的推迟;当激光脉宽较小时,圆偏振中正电子的产量小于线偏振中正电子的产量;当激光脉宽较大时,两者产量相当。圆偏振激光驱动下,靶的横向尺寸对于正电子的产量影响较小。最后,我们提出了有效电子辐射标记法,并根据电子平均能量的空间分布和有效电子状态辐射信息分析得出:靶前电子由于激光偏振效应导致加热机制的不同是两者正负电子对产生过程不同的主要原因。我们根据不同的激光偏振,设计了不同靶前结构,实现了正负电子对产额的最大化。2.研究了不同偏振的超强激光和固体靶相互作用中正负电子对的产生和随后的级联效应。首先,在程序中增加了QED参数的输出和粒子的代次信息。其次,我们利用相关粒子χ值的空间分布,分析了激光偏振效应对光子数密度和正电子数密空间分布的影响,初步定性分析了次级粒子对于QED级联的贡献。发现由于QED级联效应,激光偏振影响了激光打洞过程,形成了不同的打洞深度和打洞形状。随后,根据粒子的级联代次,绘制了级联代次谱,根据级联代次谱的形状区分了强级联和弱级联过程,并且定义了级联深度。从定量角度,区分了靶电子和正负电子对对于QED过程的贡献,以及激光偏振对于QED级联过程的影响。最后,研究了在不同的激光偏振驱动下模拟维度对于正负电子对产生的影响。3.我们研究了双束相向传播的激光和薄膜固体靶相互作用中正负电子对的产生。我们首先研究了固体靶的密度对正负电子对产额的影响,通过数值模拟发现当等离子体的初始密度处于200～280n_c时,正负电子对的产额最高。此时,激光能穿透等离子体形成稳定的驻波场。其次,在最优密度的条件下,我们研究了激光脉宽和频率对于正负电子对产额的影响。当激光脉宽较短时,倍频激光能较早地穿透等离子体,形成稳定的驻波场,此时正负电子对的总数目最高;当激光脉宽较长时,基频激光虽然穿透等离子体较晚,但是由于较大的矢势能将驻波场中的电子加速到更高的能量,会使得正负电子对的数目达到最高。
【图文】：

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1 与强激光等离子体相关的物理领域之间的关系。图片来自文1 The connection between different fields related to laser plasma从能量尺度来简单回顾下激光等离子体物理的发展历带电粒子在激光场中所获得的能量由激光强度决定。

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2激光技术和年份之间的关系
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN24;O53

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