Plasma Lenses for Relativistic Laser Beams in Laser Wakefield Accelerators
将拍瓦级激光束聚焦成用于不同应用的各种光斑尺寸在成本、劳动力和空间方面是昂贵的。在本文中，我们提出了一种等离子体透镜，利用激光自聚焦效应灵活地调整激光束的大小。使用固定的常规聚焦系统将激光聚焦在等离子体前方的短距离处，我们可以在一定范围内调节有效激光束腰，就好像使用各种聚焦系统与等离子体透镜一起充当望远镜中的可调节目镜。这样的设置是一个强大的工具，激光尾场加速器实验在国家的最先进的拍瓦激光项目，并允许扫描焦斑参数。
2019-01-23 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Ultrarelativistic electron bunches of solid densities and nuclear radiation from nanolayers-plasma-targets under superintense laser pulses
我们认为非线性相互作用的相对论强度的超功率激光脉冲与纳米层和固体等离子体靶对生产高能量密度的电子束团随着核辐射（硬$% γ$ -量子和正电子通量）。结果表明，拍瓦激光器能够通过双靶方案产生高密度场自由电子/正电子聚束和能量高达$200$ MeV的大量$γ$ -量子。对实际超短紧聚焦强非平面线偏振和圆偏振超相对论激光脉冲的3D 3V问题进行了数值模拟。
2015-07-27 physics.plasm-ph
Interaction of ultrarelativistic electron and proton bunches with dense plasmas
在这里，我们讨论的可能性就业的超相对论电子和质子束产生高等离子体尾场在稠密等离子体中由于切伦科夫共振等离子体束相互作用。我们估计这样的唤醒和最小系统长度的最大振幅可以在给定的聚束参数产生。
2012-01-05 physics.plasm-ph
Two stage $γ$ ray emission via an ultrahigh intensity laser pulse interaction with a laser-wakefield accelerated electron beam
利用粒子模拟方法研究了强激光脉冲与激光尾场加速电子束碰撞产生的双$γ$射线束。本文研究了均匀欠密预等离子体在固体箔片前的合成靶。在预等离子体中的电子被尾流场捕获和加速。当激光脉冲被薄的固体箔反射时，尾场加速的电子继续向前运动并穿过箔，几乎不受反射的激光脉冲和箔的影响。因此，两组$γ$射线闪光，具有可调的时间延迟和能量，产生的尾场加速电子束与反射的激光脉冲从箔以及另一个反向传播的拍瓦激光脉冲在后面的箔。研究了$γ$光子发射与预等离子体密度、驱动激光偏振态和薄膜的关系。
2020-02-22 physics.plasm-ph
Probing the radiation-dominated regime of laser-plasma interaction in multi-beam configurations of petawatt lasers
本文数值模拟了多拍瓦多光束飞秒激光聚焦下稠密等离子体微靶的超相对论动力学，发现多光束构型可降低产生辐射反作用力激发的准静态纵向磁场所需单束峰值功率，且四束15拍瓦脉冲以10度相交能实验展示激光-等离子体辐射主导区间。
2025-04-02 physics.plasm-ph
Generation of high-energy electron-positron beams in the collision of a laser-accelerated electron beam and a multi-petawatt laser
在未来的高功率激光设施上，通过尾场加速的GeV电子与具有$10^{22}$ - $10^{23}$ $\mathrm{Wcm}^{-2}$峰值强度的反向传播激光脉冲的碰撞，将有可能通过全光学方案中的多光子Breit-Wheeler过程产生反物质。通过集成的三维粒子模拟，我们表明，生产的正电子束与0.1-1 nC的总电荷，100-400兆电子伏的平均能量和0.01-0.1拉德的发散是在即将成为可用的激光系统的范围内。还研究了正电子束的性质随激光参数的变化。
2015-10-12 physics.comp-ph physics.plasm-ph
LCODE: a parallel quasistatic code for computationally heavy problems of plasma wakefield acceleration
LCODE是一个自由分发的准静态2D 3V等离子体尾流场加速程序，主要用于研究超相对论粒子束在等离子体中的长期传输。光束模型完全相对论宏观粒子在与光速共同传播的模拟窗口;等离子体可以用动力学或流体模型来模拟。使用多种技术来获得卓越的数值稳定性和精度，同时保持高资源效率，使LCODE能够模拟长粒子束在长传播距离上的演化，即使在笔记本电脑上。最近的一次升级使LCODE能够并行执行计算。通过MPI（消息传递接口）通信的多个LCODE进程的流水线能够在单次通过中执行多个连续的模拟时间步。这种方法可以将计算速度提高数百倍。
2015-11-13 physics.plasm-ph
Ultrarelativistic nanoplasmonics as a new route towards extreme intensity attosecond pulses
通过激光等离子体相互作用产生的超强阿秒脉冲提供了超越任何已知实验室辐射源强度的机会，从而产生了新的实验可能性，例如量子电动力学测试和极短尺度的物质探测。在这里，我们表明，激光照射等离子体表面可以作为一个有效的转换器从毫微微到阿秒范围内，脉冲强度急剧上升。虽然在文献中已经提出了看似类似的计划，目前的设置偏离显着从以前的尝试。提出了一个描述相对论性激光与等离子体相互作用非线性过程的新模型。该模型，这是适用于众多的现象，被证明是在良好的协议与粒子在细胞模拟。通过我们的模型，我们提供了进行实验的必要细节。使用即将到来的10拍瓦激光源，达到10^26 W/cm ^2以上强度的可能性得到了证明。
2011-04-28 physics.plasm-ph
Electron bunch injection at an angle into a laser wakefield
在激光尾流场加速器中，外部注入比等离子体波长长的电子束团可以产生能量扩展为几个百分点的飞秒超相对论束团。对不同结构的激光尾流场中的电子束团（如光阴极射频直线加速器产生的电子束团）注入进行了广泛研究。本文研究了一种新的外注入方式，即电子束团以小角度注入尾场。这样可以避免有质动力散射以及真空等离子体过渡区，这往往会破坏注入聚束。在我们的模拟中，激光脉冲动力学的影响也被考虑在内。结果表明，在一个角度注入可以提供压缩和加速电子束团小于2%的能量扩展。该方案的另一个优点是，它对注入聚束的尺寸的要求不那么严格，并且有可能捕获更多的电荷。
2008-11-14 physics.plasm-ph
Evolution of equilibrium particle beams under external wakefields
等离子体中的超相对论带电粒子束可以与其自身的径向尾流场达到平衡，然后在形状几乎没有变化的情况下传播。如果某些共同运动的扰动出现在光束前面，它可能会或可能不会破坏光束及其尾流场，这取决于尾流场的相位和振幅。我们数值研究的扰动可以破坏一个单一的短束或训练的许多短束在感兴趣的参数等离子体尾场加速在轴对称配置，以及如何快速。我们发现，有特别危险的尾流场阶段中的光束可以被破坏的扰动非常低的振幅。我们还发现，扰动的振幅大于尾场的训练中的一个单一的束流总是破坏性的。
2022-01-24 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Coherent keV backscattering from plasma-wave boosted relativistic electron mirrors
本文提出了一种新的亚拍瓦飞秒激光尾流场加速参数方案，使等离子体波进一步加速相对论电子镜成为可能。集成的粒子在细胞模拟，包括镜形成和汤姆逊散射表明，有效的相干后向散射高达keV的光子能量，可以得到与中等驱动器的激光强度和高密度气体目标。
2014-08-21 physics.plasm-ph
Accurate single-shot measurement technique for the spectral distribution of GeV electron beams from a laser wakefield accelerator
我们提出了一种技术，基于偶极磁谱仪包含多个闪烁屏，精确地表征激光尾流场加速（LWFA）产生的GeV电子束的光谱分布。提出了一种优化算法，并编制了相应的数值计算程序，实现了单次测量电子束角、发散角和能谱的轨迹跟踪和重建。通过与电子束轨迹的蒙特卡罗模拟结果的比较，验证了该程序的有效性。我们应用该方法来分析从激光尾场加速实验中获得的数据，使用多拍瓦激光器加速电子束到多GeV的能量。我们的技术提供了更高的准确性，忠实地表征电子束与不可忽略的拍摄到拍摄的光束指向波动，特别是在国家的最先进的多GeV LWFA实验，以推动能源前沿。
2019-07-04 physics.acc-ph physics.ins-det physics.plasm-ph
Physics of Laser-Wakefield Accelerators (LWFA)
通过低密度等离子体传播的强超短激光脉冲能够驱动相对论等离子体波，产生具有极端梯度的加速结构。这些结构代表了一种新型的紧凑源产生超相对论，超短电子束。本章涵盖了LWFA进程背后的理论背景。从电磁波及其与粒子相互作用的基本描述出发，介绍了LWFA的主要内容。这些包括等离子体波的激发，加速阶段和注入机制的描述。这些考虑通过讨论能量增益和标度律的基本限制来得出结论。
2020-07-09 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Laser-Wakefield-Driven Photonuclear and Laser-Driven DD Fusion Neutron Sources for Fast Neutron Capture: A Start-to-End Simulation Study
University of Texas at Austin（德克萨斯大学奥斯汀分校）；Tau Systems Inc（Tau系统公司）；University of Strathclyde（斯特拉斯克莱德大学）
本文通过模拟比较了激光等离子体场加速驱动的光核中子源和DD聚变中子源，研究了其在r过程相关快速中子捕获中的应用，并提出了设计准则。
2026-05-18 physics.plasm-ph
Polarized positron beams via intense two-color laser pulses
对超相对论电子束与双色拍瓦激光脉冲相互作用过程中超相对论极化正电子的产生进行了理论研究。我们的蒙特卡罗模拟基于半经典模型，结合光子发射和对生产，使用自旋分辨量子概率在本地恒定场近似，并描述了极化的电子和正电子的对生产和光子发射过程，以及经典的自旋进动之间。结果表明，强外场中电子对产生过程的自旋不对称性和双色光场的不对称性是导致极化的主要原因。采用一个可行的情况下，我们表明，高度偏振的正电子束，具有$ζ\approx 60\%$的偏振度，可以产生在飞秒时间尺度，具有小的角发散，$\sim 74$ mrad，和高密度$\sim 10^{14}$ cm $^{-3}$。激光驱动正电子源和激光尾流场加速技术将为高能物理研究的小型装置的发展铺平道路。
2019-04-08 physics.plasm-ph
MP3 White Paper 2021 -- Research Opportunities Enabled by Co-locating Multi-Petawatt Lasers with Dense Ultra-Relativistic Electron Beams
新的涌现现象预计会发生在超过QED临界电场的条件下，真空变得不稳定，电子-正电子对生产。达到这种状态所需的强度，$\sim10^{29}\,\mathrm{Wcm^{-2}}$，即使是现在正在计划/建造的最强的激光器，如果没有与超相对论粒子相互作用提供的相当大的洛伦兹增强，也无法实现。种子激光-激光碰撞可以在低至$\sim10^{24}\,\mathrm{Wcm^{-2}}$的激光强度下进入这种强场QED机制。反向传播的电子束-激光相互作用在更低的强度（$\sim10\,\mathrm{GeV}$的$\sim10^{20}\,\mathrm{Wcm^{-2}}$）下超过了QED临界场。新的涌现现象预计将发生在“QED等离子体制度”，强场量子和集体等离子体效应发挥了彼此。在这里，电子束密度成为决定性因素。因此，挑战不仅仅是超越QED临界场，而是要用高质量、接近固体密度的电子束来做到这一点。尽管激光尾波场加速器（LWFA）代表了一个非常有前途的研究领域，但传统的加速器仍然在能量$\gtrsim10\,\mathrm{GeV}$下提供数量级更高的电荷密度。因此，将极密集和高能的电子束与多拍瓦激光系统放在一起，将为高场物理学和实验室天体物理学提供开创性的研究机会。本白皮书阐述了结合多PW光学激光器、高能量/密度电子束和高强度X射线的多束能力的潜在科学影响，并概述了如何通过将3-10 PW激…
2021-05-25 hep-ph physics.plasm-ph
Theoretical Analysis and PIC Simulations of Electromagnetic Wakefields Excited by Relativistic Beams in Magnetized Plasmas
University of Tehran（德黑兰大学）；Alzahra University（阿尔扎哈拉大学）
本文研究了强磁场中超相对论电子束在冷等离子体通道中激发的纵向和径向尾场，通过发展三维格林函数形式主义并结合PIC模拟，验证了磁场对尾场振荡特性的影响。
2026-04-28 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Consequences of laser transverse imperfections on laser wakefield acceleration at the Apollon facility
本文通过三维Particle-In-Cell模拟，研究Apollon装置实测激光横向不完美性对激光尾波场加速空泡机制中自注入电子束团质量的影响。
2023-04-18 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Ultrarelativistic regime in the propagation of an ultrastrong, femtosecond laser pulse in plasmas
在完全相对论性电子抖动速度和激光尾场加速方案的范围内，用解析和数值方法研究了多拍瓦、饼形激光脉冲与非磁化等离子体的相互作用。该研究适用于目前可用的规格，或计划在不久的将来，在弗拉斯卡蒂的Ti：Sa弗拉斯卡蒂激光加速和多学科实验（火焰）。新的非线性方程推导出一个三时标的描述，与一个中间的时间尺度与激光波的非线性相位。他们描述了一个平等的立足点，强和中等的激光强度制度，有关的核心和边缘的脉冲。这些具有根本不同的色散特性，因为在核心中，电子几乎完全被非常强的有质动力驱逐，并且电磁波包嵌入真空通道中并且具有（几乎）线性特性，而在脉冲边缘处，激光幅度较小并且波是色散的。非线性相位提供了一个过渡到一个非色散电磁波在大强度和饱和的先前已知的非局部立方非线性，而不违反所施加的标度律。激光脉冲的时间演化研究的模型方程的数值解在一个二维的几何形状，目前使用的光斑直径的自注入测试实验（SITE）与火焰。发现最稳定的初始脉冲长度为约1 $μ$ m，这比目前可用的短几倍。观察到的激光脉冲的拉伸，其次是真空通道和一个非常大的静电尾流电位的发展，以及弯曲的激光波阵面。
2014-07-30 physics.plasm-ph
Simulating ultrarelativistic beam-plasma instabilities with a quasistatic particle-in-cell code
本文开发了二维准静态PIC代码QuaSSis，用于模拟超相对论束-等离子体斜双流不稳定性，通过控制宏粒子初始噪声实现精确触发，并与标准PIC及解析模型验证。
2025-06-23 physics.plasm-ph
Plasma-Based Generation and Control of a Single Few-Cycle High-Energy Ultrahigh-Intensity Laser Pulse
已知激光增强的相对论固体密度抛物面箔有效地反射和聚焦反向传播的激光脉冲。在这里，我们表明，在超相对论的反向传播脉冲的情况下，高能量和高强度的反射脉冲可以更有效地产生一个相对缓慢和沉重的箔比快速和轻的。这一违反直觉的结果可以用重箔的较大反射率来解释，因为重箔的反射率可以补偿其较低的相对论多普勒因子。此外，由于反向传播脉冲是超相对论的，箔突然分散，只有反向传播脉冲的前几个周期被反射。我们的多维粒子模拟表明，即使是几个周期的反向传播的激光脉冲可以进一步缩短（时间和激光周期数）与脉冲放大。利用下一代高功率激光系统，已经可以产生能量为几焦耳、峰值强度超过10^23 W/cm ^2的几个周期、多拍瓦的激光脉冲。此外，只要控制初始反向传播脉冲的载波包络相位，就可以调谐所产生的几个周期脉冲的载波包络相位。
2014-07-11 physics.plasm-ph
Spatiotemporal dynamics of ultrarelativistic beam-plasma instabilities
众所周知，流经等离子体的电子束或电子-正电子束容易产生微不稳定性。对于一个稀释的超相对论无限长光束，占主导地位的不稳定性是纵向双流和横向平行模式之间的混合模式，与相速度倾斜的光束速度。一个时空理论描述的线性增长，这种斜混合不稳定性的建议，它预测时空效应一般占上风的有限长度的光束，导致一个显着较慢的不稳定性的演变比通常假设的纯时间制度。这些结果得到了粒子模拟（PIC）的准确支持。此外，我们表明，由有限宽度光束驱动的等离子体尾场引起的自聚焦动力学可以与倾斜不稳定性竞争。通过PIC模拟分析，这两个过程在现实系统中的相互作用对即将到来的超相对论束-等离子体相互作用加速器实验具有重要意义。
2022-05-03 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Azimuthal decomposition study of a realistic laser profile for efficient modeling of Laser WakeField Acceleration
超短脉冲高强度激光器的出现为激光等离子体相互作用物理的研究开辟了新的、有前途的、但又具有挑战性的领域。建造拍瓦飞秒激光器的成功，例如法国的阿波罗激光器，将有助于理解和设计未来的粒子加速器和下一代光源。实现这一目标本质上依赖于实验和大规模并行模拟之间的结合。目前，粒子模拟程序已经成为精确描述激光与等离子体相互作用的最终工具，特别是在激光尾流场加速（LWFA）领域。然而，激光等离子体加速器的3D数值模拟可能是一项非常具有挑战性的任务。这是由于该过程中涉及的尺度之间的大分散性。为了使这种模拟具有显著的加速可行性，我们需要使用简化的数值模型来简化问题，同时保持高保真度。在这些模型中，傅立叶场分解的方位角模式的圆柱形的几何形状是一个很有前途的减少模型，特别是对于物理问题，具有接近圆柱对称性的情况下，在LWFA。这种几何结构已经在Maxwell求解器的时域有限差分（FDTD）离散化方案的开源代码Smilei中实现。在本文中，我们将研究的情况下，一个现实的激光测量从阿波罗设施，这种方法的能力，正确地描述它和必要的模式数的确定为此目的。我们还将显示更高的模式包含在现实的激光轮廓的情况下，以确保仿真的保真度的重要性。
2020-01-14 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
A Scalable, High-Efficiency, Low-Energy-Spread, Laser Wakefield Accelerator using a Tri-plateau Plasma Channel
提出一种基于阶梯式等离子体结构、非线性啁啾激光和动态束流负载的LWFA方案，首次同时实现超20%加速效率和低于1%能散，为未来紧凑型对撞机提供概念验证基础。
2023-11-24 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Electron dynamics controlled via self-interaction
电子在强激光场中的动力学可以通过辐射反应而显著改变。这通常会导致强烈的阻尼运动，电子失去了大部分的初始能量。本文证明了双色激光脉冲中的电子动力学可以通过辐射反作用力与洛伦兹力的相互作用而被较小的辐射反作用力间接控制。通过改变双色激光场的两个频率分量之间的相对相位，可以以受控的方式偏转与激光脉冲正面碰撞的超相对论性电子聚束，偏转角与初始电子能量无关。预测的效果是可观察到的激光功率和强度接近目前最先进的拍瓦激光系统。
2014-02-11 physics.atom-ph physics.plasm-ph
Radiation reaction in electron-beam interactions with high-intensity lasers
被电磁场加速的带电粒子发出辐射，由于动量守恒，辐射必须对发射粒子产生反冲。这种反冲力被称为辐射反应，强烈地影响了超相对论电子在强电磁场中的动力学。这种环境在天体物理学中存在，例如在中子星磁层中，并将在下一代高强度激光设施的激光物质实验中创造。在许多这样的情况下，辐射的单个光子的能量可以与发射粒子的能量相当，这不仅需要对辐射反应进行建模，而且需要对量子辐射反应进行建模。在世界范围内发展的多拍瓦激光系统的大型设施，并期望他们将创建聚焦电磁场与前所未有的强度$> 10^{23}~\mathrm{W}\text{cm}^{-2}$，激发了新的兴趣，这些影响。在本文中，我回顾了理论和实验的进展，了解辐射反应，和量子效应相同的，在高强度的激光场，探测与超相对论电子束。特别是，我们将讨论分析和数值方法如何深入了解新的辐射反应诱导动力学，以及如何在现有的激光设施的实验中探索相同的物理。
2020-03-30 hep-ph physics.plasm-ph
Optimization of transformer ratio and beam loading in a plasma wakefield accelerator with a structure-exploiting algorithm
本文提出一种利用结构利用算法优化等离子体尾场加速器中驱动束和尾随束电流分布的方法，以在非线性状态下实现高加速效率、低能量散布和低发射度，并获得比传统线性理论更高的变压器比。
2023-01-23 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Parametric study of the polarization dependence of nonlinear Breit-Wheeler pair creation process using two laser pulses
本文对双激光脉冲与超相对论电子束相互作用进行参数研究，优化脉冲以产生高能光子并生成电子-正电子对，验证强场QED框架中的自旋/偏振依赖性。
2023-10-16 hep-ph physics.plasm-ph
High-energy betatron source driven by a 4-PW laser with applications to non-destructive imaging
拍瓦级激光器通过激光尾场电子加速可以产生多GeV的电子束。作为一个副产品，加速的电子束可以产生广泛的同步辐射，称为电子感应加速器辐射。在目前的工作中，我们测量从2 GeV，215 pC的电子束，这表明了一个广泛的辐射光谱的临界能量为515 keV，扩展到MeV的光子能量和10 mrad的发散产生的辐射的属性。由于其高能量和通量，这种辐射是致密物体伽马射线照相术的理想候选者。我们采用了一个紧凑的电子感应加速器辐射设置操作在相对较高的重复率（0.1赫兹），并用它来扫描厘米大小的对象：DRAM电路，BNC和SMA连接器，挂锁和气体喷嘴。GEANT 4模拟进行再现的气体射流的射线照片。该装置和辐射源可以在亚毫米级揭示物体的内部结构，证明它可以进一步应用于诊断各种部件中的裂纹或孔。这里介绍的辐射源是一个有价值的工具，用于无损检测和高能量密度物理学，如核聚变。
2022-11-15 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Properties of Pair Plasmas Emerging from Electromagnetic Showers in Matter
本文通过解析求解电磁簇射动力学方程，研究了高能电子束打靶产生正负电子对等离子体的过程，给出了薄靶和厚靶两种区域的能谱与产额表达式，并用Geant4模拟验证，提出多拍瓦激光可作为实验室产生正负电子对等离子体的可行途径。
2025-11-10 astro-ph.HE hep-ex hep-th
