Generation-Resolved Signatures in QED Cascades: Diagnostics for Ultraintense Laser Parameters
Xi’an Jiaotong University（西安交通大学）
本研究开展超强激光与GeV电子束对撞引发的QED级联的代分辨分析，通过追踪级联各代演化的蒙特卡洛模型，发现辐射反应抑制高产额、正电子能谱随参数软化等规律，建立标度关系，提出用可观测参量诊断激光强度与脉宽的新方法。
2026-08-05 physics.plasm-ph
Electron - positron cascades in multiple-laser optical traps
我们提出了一个分析和数值研究的多激光QED级联诱导线偏振激光脉冲。我们分析了不同的偏振方向，并提出了一种配置，最大限度地提高级联的多重性，有利于激光吸收。我们概括的级联增长率的分析估计先前计算的领域中的两个碰撞线偏振激光脉冲和帐户多激光相互作用。利用OSIRIS的QED PIC模块对不同激光强度范围内的四激光QED级联进行了全面的数值研究，验证了这一估计。我们表明，通过使用四个线性偏振的30 fs激光脉冲，一个可以转换超过50%的总能量的伽马射线已经在激光强度$I\simeq10^{24}\ \mathrm{W/cm^2}$。在该配置中，与两个激光器碰撞的情况相比，激光转换效率更高。
2016-09-26 physics.plasm-ph
Signature of Collective Plasma Effects in Beam-Driven QED Cascades
QED级联在磁星等极端天体物理环境中起着重要作用。它们也可以通过将相对论电子束穿过强激光场来产生。集体对等离子体效应在这些QED级联的签名显示出现，在精致的细节，通过等离子体诱导的频率上移的激光光谱。值得注意的是，即使在以相对论速度移动的小等离子体体积中也可以检测到这些特征。强场量子和集体对等离子体效应，因此可以探索与现有的技术，提供超密集的电子束与多PW激光器共定位。
2021-09-20 hep-ph physics.plasm-ph
QED cascade induced by high energy $γ$ photon in strong laser field
研究了两束反向传输激光诱导的量子电动力学级联。证明了种子光子产生粒子对的几率远大于种子电子产生粒子对的几率.通过分析种子光子产生的电子和正电子的动力学特性，发现种子光子产生的粒子比种子电子产生的粒子更有可能发射光子.进一步，我们还证明了在相同的入射能量和相同的激光条件下，种子光子比种子电子更容易触发量子电动力学级联。
2013-12-09 physics.atom-ph physics.plasm-ph
Generation of Polarized Overdense Pair-photon Fireball via Laser-Driven Nonlinear-linear QED Cascade
Xi’an Jiaotong University（西安交通大学）；China Institute of Atomic Energy（中国原子能科学研究院）
本文提出一种利用激光驱动非线性-线性量子电动力学级联生成极化过密电子-光子火球的方法，该方法显著降低了实验室中生成密集火球所需的激光强度阈值，实现了高极化和准中性火球的生成。
2026-07-07 physics.plasm-ph
Onset of electron-seeded cascades in generic electromagnetic fields
研究了强电磁场中任意位形的QED级联。导出了关键电子量子动力学参数的短时依赖关系的一般表达式，从而推广了量子电动力学级联起始的有效阈值条件。广义理论适用于在一个单一的聚焦激光脉冲自持级联。根据数值模拟，如果使用GeV电子束团作为种子，可以将普通级联转换为自持级联。作为一种应用，它也将有可能以这种方式产生明亮的准直光子束，其光子能量高达GeV。
2021-05-10 physics.plasm-ph
Coherent emission from QED cascades in pulsar polar caps
脉冲星的磁层被认为充满了成对级联产生的电子-正电子等离子体。这些级联的驱动机制是伽马射线光子的发射和它们通过量子电动力学（QED）过程转化为对。在这项工作中，我们提出了2D粒子在细胞模拟的对级联在脉冲星极帽与现实的磁场几何，包括相关的QED过程的第一性原理。我们的研究结果表明，由于整个极冠的磁场曲率的变化，对生产爆发自洽地发展相对于当地磁场，有利于产生相干电磁模式与脉冲星无线电发射的属性一致的倾斜。我们发现，这种发射是沿磁轴和接近极帽边缘的峰值，从而可能提供一个解释脉冲星无线电发射的核心和锥分量。
2021-08-26 astro-ph.HE physics.plasm-ph
QED Effects at Grazing Incidence on Solid-State-Targets
新的激光设施将达到$10^{23} \textrm{W cm}^{-2}$的强度。这一进展使新的实验装置在激光等离子体相互作用的研究。在这些极端场的设置中，量子电动力学（QED）效应，如通过非线性康普顿散射和Breit-Wheeler对产生的光子发射变得重要。本文采用二维粒子模拟方法研究了高强度激光与固体靶表面的擦肩碰撞，并考虑了QED效应。两束激光束以掠射角在目标表面处碰撞。由于靶表面附近的场，电子被提取和加速。最后，引出的电子与反向传播的激光碰撞，在足够的激光强度下，触发了许多QED效应，导致QED级联。在这里，研究了各种激光强度和入射角的过程，最后比较种子真空级联。我们的结果表明，建议的目标可以产生许多数量级的次级粒子，并在较低的激光强度比单独的种子真空发展的QED级联。
2022-07-01 physics.plasm-ph
QED cascade initiation via reflection of a multipetawatt laser pulse from a self-organized parabolic plasma mirror
本文提出利用单个多拍瓦激光脉冲从自组织抛物面等离子体镜反射来引发QED雪崩级联，在27 PW功率下观测到指数增长和超过15代正电子，证明无需多通道精确同步即可实现。
2025-08-21 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Pair filamentation and laser scattering in beam-driven QED cascades
本研究在束流驱动QED级联中观测到电子-正电子对等离子体的纵向丝化，指出其由激光有质动力而非双流或Weibel不稳定性引起，并表明该丝化会导致激光能量向大角度强烈散射，是集体QED等离子体动力学的标志。
2024-02-12 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Polarized QED cascades
通过在强场QED过程中考虑电子、正电子和光子的自旋和极化，我们发现在超强激光场中QED级联的增长率可以大大降低.虽然这意味着产生的粒子更少，但我们也发现它们是高度极化的。我们进一步发现，粒子光谱的高能尾部的极化与Sokolov-Ternov理论的预期相反，这不能仅仅通过考虑对产生过程中的自旋不对称性来解释，而是由“自旋离散”引起的。我们采用一个动力学方程的方法的电子，正电子和光子的分布，他们每个人的自旋/偏振分辨，与量子电动力学的光子发射和对生产的影响建模的自旋/偏振相关的玻尔兹曼型碰撞算子。对于光子种子级联，根据光子偏振，我们发现在级联发展的早期阶段，粒子生产过剩或短缺，这提供了一条通往受控实验的道路。在本文中，我们专注于旋转电场配置，这代表了一个理想化的模型，并允许一个简单的解释所观察到的效果。
2021-04-01 hep-ph physics.plasm-ph
Polarized QED Cascades over Pulsar Polar Caps
本文研究脉冲星极冠QED级联中的光子偏振效应，采用Monte Carlo QED算法结合单粒子和PIC模拟，发现CR光子高线性偏振而SR光子弱偏振，且CR光子偏振使$e^\pm$对产生增加约5%。
2024-04-28 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Collimated QED Cascades with Curved Plasma Mirror
Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics (SIOM), Chinese Academy of Sciences (CAS)（中国科学院上海光学精密机械研究所）；Institute for Applied Physics of Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院应用物理研究所）
利用曲率等离子体镜反射单个超高强度激光脉冲，实现高效率、高聚焦的QED级联，生成可控的物质-反物质等离子体。
2025-08-01 physics.optics physics.plasm-ph
Optimized multibeam configuration for observation of QED cascades
如果种子电子的动力学量子参数$χ$与电子的固有加速度在康普顿单位下达到1的量级，那么强电磁场中的QED级联就会发生。本文导出了初始慢电子在任意电磁场中的$χ$的一般表达式，其中$ω$是场载波频率，时间范围为$t\ll 1/ω$。使用该公式，我们考虑多个碰撞聚焦激光束的特殊场配置并对其进行优化，以在低于$10$ PW的激光功率和大约$10^{23}$ W/cm $^2$的强度下提供级联发展。这些光束参数将在未来几年内通过新一代激光设施，特别是ELI Beamlines获得。
2015-05-25 physics.comp-ph physics.optics physics.plasm-ph
QED cascades induced by circularly polarized laser fields
本文给出了超高强度圆极化场中慢电子引发的电子-正电子-光子级联的蒙特卡罗模拟结果，并对结果进行了讨论。我们的结果证实了先前的定性估计[A.M. Fedotov等人，PRL 105，080402（2010）]瀑布的形成。这种级联现象揭示了光场对电子和正电子的加速所导致的能量和动力学量子参数恢复的新性质，并可能成为超高强度激光与物质相互作用的主要特征。我们的方法包括辐射摩擦作用于单个电子和正电子。
2010-10-21 hep-ph physics.acc-ph physics.comp-ph
Heavy-element damage seeding in proteins under XFEL illumination
本文利用等离子体代码模拟XFEL照射下蛋白质晶体的电离过程，发现痕量重原子通过快速seeding电子电离级联，对全局辐射损伤贡献显著。
2025-06-02 physics.bio-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Effect of laser polarization on QED cascading
用三维PIC-MC程序数值模拟了圆极化和线极化电磁波驻波场中的QED级联发展。它表明，对于相同的激光能量，在圆偏振场中产生的粒子的数量大于在线偏振场，虽然在后一种情况下，每个粒子的获取平均能量更大。激光辅助QED级联的定性模型进行了扩展，包括场的偏振效应。事实证明，级联动力学在线性极化场的情况下明显更加复杂，其中分离成性质不同的“电”和“磁”区域（其中电场强于磁场，反之亦然）变得至关重要。在“电”区，加速被抑制，而且高能电子甚至被光子发射冷却。“电”和“磁”区域的体积随时间周期性地演变，级联增长率也是如此。与线极化相反，即使在“磁”区，圆极化波也能加速带电粒子。对于圆极化，“电”区和“磁”区不随时间演化，级联增长率几乎不依赖于时间。
2013-10-15 hep-ph physics.plasm-ph
Laser-driven plasma pinching in $e^{-}e^{+}$ cascade
采用三维粒子模拟方法，考虑量子电动力学（QED）的相关过程，研究了极端强度最终聚焦激光场中正负电子等离子体的级联产生及其动力学过程.我们表明，如果激光装置提供的总功率超过20 PW，它是可能的，不仅触发量子电动力学级联，但在产生的电子-正电子等离子体箍缩。在这种情况下，等离子体自压缩导致峰值密度和磁（电）场的突然上升，分别达到至少$10^{28}$ cm $^{-3}$和Schwinger场的1/20（1/40）。确定这个过程的实际极限和物理性质可能需要超越标准半经典方法的量子处理。因此，拟议的设置可以为探测和探索物质和真空的基础物理提供极端条件。
2018-08-31 physics.plasm-ph
Laser-driven vacuum breakdown waves
通过三维量子电动力学--粒子模拟（QED-PIC），证明了真空击穿波以QED级联阵面的形式在极强的平面电磁波中传播。这一结果否定了平面波位形不可能产生自持级联的说法。在模拟过程中，叶栅在光帆状态下的激光-箔片相互作用期间启动。结果，在箔和激光辐射之间形成不断增长的电子-正电子等离子体垫。缓冲等离子体有效地吸收激光能量，并使来自移动箔的辐射发散，从而中断离子加速。文中给出了描述叶栅前缘传播和垫等离子体电动力学的模型，它们的预测与数值模拟的结果定性一致。
2019-06-27 physics.plasm-ph
Creating pair plasmas with observable collective effects
本文探讨了利用高能电子束与强激光脉冲对撞产生高密度电子对等离子体以观测集体效应，并确定了实现可观测QED等离子体的最小参数。
2024-02-12 physics.plasm-ph
Particle dynamics and spatial $e^-e^+$ density structures at QED cascading in circularly polarized standing waves
我们提出了一个全面的分析，纵向粒子漂移的驻波圆偏振波在极端强度时，量子辐射反应（RR）的影响应占。为了深入了解这种现象的物理学，我们进行了比较研究，考虑了朗道-利夫希茨或量子校正形式的RR力，包括光子发射随机性的情况。结果表明，圆偏振和线偏振的情况是定性不同的。此外，粒子动力学的特定特征对在真空中通过反向传播激光脉冲中的量子电动力学（QED）级联产生的电子-正电子（$e^-e^+$）密度的空间结构具有强烈的影响。考虑QED效应的3D PIC模拟证实了不同对等离子体结构的实现。
2016-10-27 physics.plasm-ph
Testing strong-field QED with the avalanche precursor
本研究通过3D粒子模拟探讨了50拍瓦级NSF OPAL激光装置在真实参数下触发QED雪崩前驱的潜力，证明三种靶材均可高效注入种子电子并产生强正电子与高能光子信号，为强场QED实验设计提供了重要依据。
2025-09-17 hep-ph physics.plasm-ph
Probing nonperturbative QED with optimally focused laser pulses
我们研究非微扰对生产的强烈，聚焦激光场称为电子偶极脉冲。我们解决所需的条件，如真空的质量，达到高强度，而不启动光束耗尽级联，可以创建的对的数量，和实验检测所创建的对。我们发现，e-偶极脉冲提供了一个最佳的方法来调查非微扰QED。
2013-07-26 hep-ph physics.plasm-ph
Growth rate of self-sustained QED cascades induced by intense lasers
本研究解决了强激光驻波触发电-正电子对雪崩的增长率计算难题，提出考虑粒子迁移衰减的简洁公式，经模拟验证有效，可用于预测对产生反作用及规划超高强度激光实验。
2024-08-19 hep-th physics.plasm-ph
Radiation Reaction Kinetics and Collective QED Signatures
本文通过完整动力学模拟研究强激光与相对论电子束碰撞中的量子辐射反作用，揭示粒子对能量局部极小值及动量各向异性演化，为观测集体QED信号提供依据。
2023-12-07 physics.plasm-ph
Particle Deceleration for Collective QED Signatures
量子电动力学级联产生的电子-正电子对等离子体中的频率上移被认为是集体效应的第一个实验特征。由于产生的对的高有效质量将减少任何频率变化，因此在实验室框架中最小洛伦兹因子处的停止对被认为是对激光上移的主要贡献。然而，我们证明，只考虑停止粒子不适当地忽略了粒子的贡献，在激光传播方向上重新加速。重新加速的粒子，在每个粒子的基础上，应该更强烈地影响激光，并在更长的时间尺度上。为了最大限度地提高粒子对激光上移的贡献，我们考虑了拉盖尔-高斯（LG）模式，以更好地反射产生的对。与高斯光束相比，LG模式在粒子减速和再加速方面没有优势，但LG模式可以在更长的持续时间内保持粒子贡献，从而允许更多的对密度积累。用结构化光束减速以将对保持在激光器内应该产生更大的升档，从而降低对驱动激光器的要求。
2022-04-14 physics.plasm-ph
Ultra-bright GeV photon source via controlled electromagnetic cascades in laser-dipole waves
未来高强度激光设施的一个目标是提供新的高通量伽马射线源。电磁级联可能有助于这一点，但已知会限制场强和粒子能量，将光子的有效产生限制在亚GeV能量。在这里，我们展示了如何通过级联和异常辐射俘获之间的受控相互作用来创建定向GeV光子源。利用先进的三维量子电动力学粒子模拟和解析估计，我们表明，这一概念是可行的计划峰值功率为10 PW的水平。40 PW的较高峰值功率可以在良好准直的3 fs光束中提供具有GeV能量的$10^9$光子，实现峰值亮度${9 \times 10^{24}}$ ph s $^{-1}$ mrad $^{-2}$ mm $^{-2}$ /0.1 ${\%}$ BW。这样的源将是研究基本电磁和核过程的有力工具。
2016-10-20 physics.plasm-ph
Polarized $γ$-photon beams produced by collision of two ultrarelativistic electron beams
提出一种无激光方案，通过两束超相对论电子束碰撞产生高能极化$γ$光子束，利用QED Monte Carlo代码模拟表明，调节种子束初始极化可使3 GeV以上光子的线极化达90%、圆极化达67%。
2024-01-11 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
Laser opacity in underdense preplasma of solid targets due to quantum electrodynamics effects
我们研究了下一代激光脉冲在10 PW $-$ 200 PW与固体靶相互作用的相对论欠密预等离子体的放大自发发射（ASE）产生的存在。由于量子电动力学（QED）过程中产生的电子-正电子对和$γ$射线光子，激光打孔和相对论透明受到强烈的限制。一对等离子体的密度以上的初始preplasma密度形成，抵消了由钻孔产生的无电子通道。这种对主导的等离子体可以阻止激光输运并触发类似雪崩的QED级联，有效地将激光能量转换为光子。这使得1- $\rmμm$ -标度长度、欠密的预等离子体对该功率水平的激光脉冲完全不透明。因此，QED诱导的不透明性为固体靶实验中的这种脉冲设定了比经典等离子体物理预期的高得多的对比度要求。例如，我们的模拟表明，质子加速从后方的固体与preplasma将强烈受损。
2017-01-20 physics.plasm-ph
Benchmarking semiclassical approaches to strong-field QED: nonlinear Compton scattering in intense laser pulses
与光子发射相关的反冲是强电磁场中超相对论电子动力学的关键，如在高强度激光-物质相互作用和天体物理环境（如中子星磁层）中发现的。当光子的能量变得与电子的能量相当时，有必要使用量子电动力学（QED）来精确描述动力学。然而，由于多粒子效应和电磁场的复杂结构，从强场QED计算适当的散射矩阵元通常是不可能的。因此，这些相互作用的半经典处理，耦合概率发射事件的经典电动力学使用率计算的局部恒定场近似。在这里，我们提供了全面的基准这种方法对精确的量子电动力学计算的非线性康普顿散射的电子在强激光脉冲。我们发现协议的光子光谱之间的百分比水平，以及从背景场的吸收模型的预测之间，归一化振幅$a_0 > 5$。我们讨论了改进的数值方法的可能途径和我们的研究结果的QED级联的影响。
2018-08-02 hep-ph physics.plasm-ph
Limitations on the attainable intensity of high power lasers
结果表明，即使是一个单一的$e^-e^+$对产生的超强激光场在真空中将导致雪崩的QED级联的发展，迅速耗尽入射激光脉冲。这证实了老N。玻尔猜想，具有临界QED强度$E_S=m^2c^3/e\hbar$的电场永远不可能产生。
2010-04-29 hep-ph physics.optics physics.plasm-ph
Probing Strong-Field QED via Angle-Discriminated Emissions from Electrons Traversing Colliding Laser Pulses
提出电子穿越两或四个垂直紧聚焦对撞激光脉冲束腰的对撞构型，利用短相互作用长度和偏转角与场强的关联实现高 $χ$ QED 信号鉴别，四圆偏振脉冲可在全聚焦区形成螺旋运动并获得近完美角度鉴别与高信噪比。
2025-06-10 physics.optics physics.plasm-ph
Charged particle motion and radiation in strong electromagnetic fields
本文综述强电磁场中带电粒子的辐射反作用与非线性 QED 过程，涵盖理论、模拟、集体动力学、实验进展及高亮度源应用。
2022-03-18 physics.plasm-ph
Reaching supercritical field strengths with intense lasers
当激光场被提升到远大于量子电动力学临界场的“超临界”强度时，高能电子束与强激光的碰撞将破坏量子电动力学的所有微扰方法。随着电场强度向这一方向的增加，预计会产生光子发射和电子-正电子对的级联，以及大量辐射修正的开始。在这里，我们确定的碰撞角在减轻能量损失的光子发射，否则将阻止电子达到超临界状态所发挥的重要作用。我们表明，在几十GeV的能量的电子束和强度$10^{24}~\text{W}\text{cm}^{-2}$的激光脉冲之间的碰撞，在斜入射，甚至是正常的，是一个可行的平台，研究微扰强场QED的击穿。我们的研究结果对近期实验的设计有影响，因为它们预测某些量子效应在斜入射时会增强。
2019-05-01 hep-ph physics.plasm-ph
Electron-Positron Plasma Drop Formed by Ultra-Intense Laser Pulses
研究了强激光脉冲形成的电子-正电子等离子体小液滴的初始性质和正电子湮灭。这种QED级联引发的等离子体通常远低于化学（粒子产率）平衡。我们发现，可用的电子和正电子平衡动力学，但尽管相对较高的粒子密度，电子正电子湮没是非常缓慢的，这表明一个相当长的寿命的等离子体下降。
2012-04-25 hep-ph physics.plasm-ph
Creation of electron-positron plasma with superstrong laser field
本文综述了近年来在超相对论激光脉冲与真空和$e^-e^+$等离子体相互作用的QED效应研究方面的进展。激光技术的发展已经预示着激光强度在不久的将来会有非常迅速的增长。欧洲的两个艾瓦级设施（俄罗斯的ELI和XCELS）已处于规划阶段。这些项目的实现将使强度为$\sim 10^{26}$ W/cm $^2$或甚至更高的激光器可用。因此，对真空中非线性光学效应的讨论已成为实验工作者的迫切需要，目前正受到广泛的关注。我们表明，尽管事实上，各自的场强仍然基本上小于$E_S=m^2c^3/e\hbar=1.32\cdot 10^{16}$ V/cm，非线性真空效应将访问在ELI和XCELS设施的观测。最有希望观测到的是真空中激光脉冲产生的电子对效应。它表明，在强度$\sim 5\cdot 10^{25}$ W/cm $^2$，创建甚至一个单一的对是伴随着雪崩状QED级联的发展。与初级宇宙线进入大气所产生的大气簇射相比，激光诱导的级联具有一个重要的特征。在我们的例子中，激光场不仅起着靶的作用（类似于空气簇射中的原子核）。它也负责慢粒子的加速。结果表明，对创建的效果施加一个自然的限制，可达到的激光强度。显然，场强$E\sim E_S$根本无法用于产生电磁场的对。
2013-12-17 physics.optics physics.plasm-ph
Spectrotemporal shaping of attosecond x-ray pulses with a fresh-slice free-electron laser
本研究提出一种在自由电子激光上对阿秒X射线脉冲进行相干整形的方案，通过控制波荡器锥形分布实现脉冲维格纳函数整形，可产生可控脉冲对、序列及宽频孤立脉冲，并在现有XFEL上实验验证了相位稳定脉冲序列的生成与控制。
2025-02-11 physics.acc-ph physics.optics physics.plasm-ph
On Seminal HEDP Research Opportunities Enabled by Colocating Multi-Petawatt Laser with High-Density Electron Beams
科学界目前正在目睹一场昂贵的全球性竞赛，以实现尽可能高的光照强度。在未来十年内，这项工作预计将达到近$10^{24}\,\mathrm{W}/\mathrm{cm^2}$在实验室框架的重点是100 PW，近红外激光。这一努力背后的主要驱动力是通过量子电动力学（QED）级联研究强场真空击穿和伴随的电子-正电子对等离子体的可能性[Edwin Cartlidge，“The light fantastic”，Science 359，382（2018）]。而欧洲则专注于全光学10 PW级激光设施（例如，Apollon和ELI），中国已经计划将100 PW激光系统与25 keV超导XFEL并置在一起，因此也隐含了高质量电子束[上海监督超快激光设施（SULF）的极光站（SEL）]。本白皮书阐述了密集的多GeV电子束与多PW光学激光脉冲碰撞所带来的开创性科学机遇。这样的多束设施将通过产生具有前所未有的密度和温度的电子-正电子对等离子体来实现极端HEDP环境的实验探索，其中强场量子和集体等离子体效应之间的相互作用变得决定性。
2020-02-24 hep-ph physics.plasm-ph
