Laser-driven electrodynamic implosion of fast ions in a thin shell
P. N. Lebedev Physical Institute of Russian Academy of Sciences（俄罗斯科学院列别杰夫物理研究所）；Institute of Laser Engineering, Osaka University（大阪大学激光工程研究所）
本文提出利用激光驱动的快电子振荡实现离子在薄壳中的电动力压缩，研究其在高能范围内的加速机制。
2025-12-02 physics.plasm-ph
Reaching the high laser intensity by a radiating electron
在量子辐射反应体系中，采用粒子模拟方法，对电子与反向传播的电磁波相互作用进行了理论研究。在多光子Compton散射和真空Cherenkov辐射的情况下，我们发现激光脉冲中心的电子能量是检验激光-电子碰撞的非线性量子电动力学真空性质的关键因素。通过多参量分析，给出了电子到达激光脉冲中心并发射切伦科夫光子的初始能量条件。
2020-10-21 physics.plasm-ph
On extreme field limits in high power laser matter interactions: radiation dominant regimes in high intensity electromagnetic wave interaction with electrons
我们讨论了电磁场与带电粒子相互作用的关键重要制度。主要关注的是考虑辐射摩擦和量子电动力学效应的非线性汤姆逊/康普顿散射制度。这一过程开启了一条将电磁能高效转换为超短高功率伽马射线闪光形式的硬电磁辐射的通道。
2013-04-24 physics.plasm-ph
Quantum Electrodynamics vacuum polarization solver
由于虚电子-正电子涨落引起的真空极化的自洽模型对于与高强度辐射源相关的许多近期实验是相关的，并且代表了描述极端能量密度的场景的里程碑。我们提出了一个广义的时域有限差分求解器，可以将修改麦克斯韦方程由于真空极化。我们的多维解算器在一维配置中再现了可能进行分析处理的结果，产生真空谐波产生和双折射。求解器也已被测试的二维场景中，有限的激光束光斑尺寸必须考虑在内。我们采用此求解器来探索不同类型的激光配置，这些配置可能与未来计划的实验相关，旨在检测超高电磁场强度下的量子真空动力学。
2021-07-06 hep-th physics.comp-ph physics.plasm-ph
Temperature and mean axial momentum vs. laser intensity of electrons released from O$_2$ by an 800 nm ultrashort pulsed laser
Air Force Research Laboratory（美国空军研究实验室）
研究800nm超短脉冲激光作用下O₂释放电子的温度和平均轴向动量与激光强度关系，提出半经验模型，通过修改理论动能谱及结合经典运动学与光谱拟合来估计平均动量，为电动流体模拟提供初始条件。
2026-09-11 physics.atom-ph physics.optics physics.plasm-ph
Photon acceleration of high-intensity vector vortex beams into the extreme ultraviolet
本文通过电子束驱动等离子体波中的光子加速，将光学矢量涡旋脉冲转换为高强度、波长可调的极紫外矢量涡旋脉冲，模拟显示强度提升至10^20 W/cm^2以上，具有亚飞秒持续时间和平坦波前，扩展了XUV光源的应用。
2024-11-06 physics.optics physics.plasm-ph
Efficient ion acceleration and dense electron-positron plasma creation in ultra-high intensity laser-solid interactions
下一代超高强度（$>10^{23}$ W/cm $^{2}$）激光器的辐射压力可以有效地将离子加速到GeV能量。然而，非线性量子电动力学效应在这些激光脉冲与物质的相互作用中起着重要的作用。在这里，我们表明，这些影响可能会导致产生一个非常密集的（$\sim10^{24}$ cm $^{-3}$）对等离子体吸收激光脉冲，从而减少加速离子的能量和能量转换效率分别高达30- 50%和50- 65%。因此，我们确定的制度，激光物质相互作用的离子被有效地加速或致密的对等离子体作为指导，为未来的实验。
2018-03-27 physics.plasm-ph
Production and dynamics of positrons in ultrahigh intensity laser-foil interactions
本文研究了当激光强度大于$10^{24}$ W cm $^{-2}$时，圆偏振激光脉冲与金属箔相互作用产生的正负电子对。激光能量由于相对论性打孔效应而穿透到薄膜中。结果表明，电子-正电子等离子体是在入射激光和反射激光的作用下量子电动力学级联的结果。入射和反射的激光在钻孔前的参考系中形成圆偏振驻波，在波的波节和波腹附近形成电子对密度峰值。建立了一个基于粒子动力学的磁节点附近辐射反应模型。通过3D PIC-MC模拟验证了模型预测。
2016-06-27 physics.plasm-ph
Relativistically transparent magnetic filaments: scaling laws, initial results and prospects for strong-field QED studies
相对论透明性使体积激光与过密等离子体相互作用和直接激光加速电子到相对论速度成为可能。密集的电子流产生磁场强度为激光振幅（$>$ 10 $^5$ T）量级的磁丝。磁丝径向地捕获电子，使得能够通过丝中的电子振荡将激光能量有效地加速和转换成MeV光子。微结构目标的使用稳定了与相对论透明相互作用相关的软管不稳定性，从而导致这种现象的鲁棒性和可重复性。解析标度律推导来描述辐射的光子光谱和能量从磁丝现象的激光强度，焦点半径，脉冲持续时间，和等离子体密度。这些比例尺的法律相比，3-D粒子在细胞（PIC）模拟，证明协议的焦点半径超过两个制度。在德克萨斯拍瓦激光器上进行了研究中等强度（$a_0 \sim 30$）下这种现象的初步实验。磁丝现象的实验签名中观察到的电子和光子光谱记录在这些实验的一个子集，这是一致的实验设计，分析缩放和3-D PIC模拟。未来的实验活动的影响进行了讨论。
2021-06-04 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
Guided propagation of extremely intense lasers in plasma via ion motion
即将到来的$10-100$拍瓦激光设施可能会提供具有前所未有的$10^{22}-10^{25}\rm~W cm^{-2}$强度的激光脉冲，这可以触发等离子体中的各种非线性量子电动力学过程。为了在如此高的强度水平上有效地实现激光等离子体相互作用，引导激光传播是至关重要的。然而，这变得不可能通过通常的等离子体电子响应激光场由于电子空穴的激光有质动力。在这里，我们发现，离子对激光场的响应可以有效地引导激光在如此高的强度水平下的传播。给出了所需离子密度分布和激光功率的相应条件，并通过三维粒子模拟进行了验证。我们的理论将作为指导未来的实验设计，涉及高强度激光。
2019-10-02 physics.plasm-ph
QED and Lasers: A Tutorial
这是一篇关于高强度QED的简短教程演讲的文章，视频在英国卢瑟福-阿普尔顿实验室的中央激光设施的2021年圣诞年会上发表。前半部分包括一个主要的历史介绍（量子）电动力学集中在几个关键概念。然后，将这一成熟的理论与高强度激光存在时的强场概括进行比较。增加了一些补充材料和相当数量的参考资料。
2022-03-02 hep-ph physics.plasm-ph
Dominance of $γ$-$γ$ electron-positron pair creation in a plasma driven by high-intensity lasers
光单独产生电子和正电子是量子电动力学的基本预测，但尚未被观察到。在这里，我们表明，它是可能的，以创建${>}10^8$正电子由双激光照射的结构等离子体靶，在强度为$2 \times 10^{22} \mathrm{W}\mathrm{cm}^{-2}$。与以前的工作相比，对的创建主要是由线性Breit-Wheeler过程（$γγ\to e^+ e^-$）驱动，而不是假设在高强度下占主导地位的非线性过程，因为目标内部发射的$γ$射线的密度很高。有利的缩放与激光强度的线性过程提示重新考虑其忽略在模拟研究中，但也允许正电子射流形成的强度，已经实验可行的。模拟结果表明，在准静态等离子体磁场的约束下，正电子可以被激光加速到能量为$> 200$ MeV。
2021-05-15 hep-ph physics.plasm-ph
Photon-photon scattering at the high-intensity frontier
近年来，高强度激光技术的巨大进步和专门的高场实验室的建立为在高强度前沿首次观测量子真空非线性铺平了道路。我们主张一个特别前瞻性的方案，其中三个同步的高强度激光脉冲被带入碰撞，产生信号光子，其频率和传播方向与驱动激光脉冲不同，从而提供各种手段来实现良好的信号与背景分离。基于真空发射的理论概念，我们采用了一种有效的数值算法，使我们能够模拟聚焦高强度激光脉冲的碰撞在前所未有的细节。我们提供了准确的预测，在实验中可访问的信号光子的数量。我们的研究为量子真空非线性的首次验证铺平了道路，该实验是在目前即将上线的许多高强度激光设施之一进行的一个控制良好的实验室实验。
2018-04-10 hep-ph hep-th physics.optics
Nonlinear Thomson scattering with ponderomotive control
在非线性汤姆逊散射中，相对论电子反射并重新辐射激光脉冲的光子，将可见光转换为x射线或更高。虽然这种极端的频率转换为探测高能量密度材料和驱动非线性量子电动力学的未知领域提供了一个有前途的来源，但传统的非线性汤姆逊散射在其与激光强度的比例缩放中具有固有的权衡。在这里，我们发现，时空脉冲整形所提供的有质动力控制，使新的制度的非线性汤姆逊散射，大大提高了辐射功率，发射角度，和频率与激光强度的缩放。通过适当地设置强度峰值的速度，时空成形脉冲可以按数量级增加辐射的功率。随着激光强度的增强缩放允许在显著较低的电子能量下操作，并且可以消除对高能电子加速器的需要。
2021-08-09 physics.plasm-ph
Collimated protons accelerated from an overdense gas jet irradiated by a 1 micron wavelength high-intensity short-pulse laser
我们研究了近临界密度氢气射流靶在波长为1.054 μ m的高强度（10^18 W/cm ^2）短脉冲（5 ps）激光辐照下质子的正向加速。我们观察到激光脉冲驱动的冲击加速特征，除了通常使用的电子鞘驱动的质子加速之外，还导致具有小发散度的单能质子束。我们得到的质子能量是适度的（~MeV），但通过调整气体射流密度分布提供了改进的前景。此外，我们观察到，这种机制是非常强大的产生这些光束，因此可以被认为是未来的候选人在激光驱动的离子源驱动的即将到来的下一代多PW近红外激光器。
2017-08-08 physics.plasm-ph
Machine Learning-Integrated Hybrid Fluid-Kinetic Framework for Quantum Electrodynamic Laser Plasma Simulations
Iran University of Science and Technology（伊朗科技大学）
本研究提出一种基于机器学习的三维混合流体-PIC框架，利用SwitchNet实现区域自动切换，结合物理损失函数与QED效应模拟，在保证计算速度的同时实现了高精度的激光等离子体相互作用预测。
2025-10-13 cs.LG physics.plasm-ph
Transmutation prospect of long-lived nuclear waste induced by high-charge electron beam from laser plasma accelerator
研究了激光等离子体加速器产生的高电荷相对论电子束对长寿命核废料的光嬗变作用。利用高强度激光与近临界密度等离子体相互作用产生了高电荷量约100 nC的相对论准直电子束。这样的电子束撞击在高Z电子束上，然后辐射出高能韧致辐射光子，其通量接近每次激光发射10^{11}。以长寿命放射性核素^{126}Sn为例，所产生的嬗变反应产额为每次激光照射10^{9}的数量级，这比以前的研究高出两个数量级。研究发现，在较低的密度下，聚焦激光照射较长的NCD等离子体可以有效地提高嬗变效率。此外，考虑到混合核素废物样品的光嬗变，这表明激光加速高电荷电子束可能是一种有效的工具，嬗变长寿命核废物。
2017-05-16 physics.plasm-ph
Identifying the electron-positron cascade regimes in high-intensity laser-matter interactions
强场量子电动力学预言当种子电子的静止坐标系中的电场接近索特-施温格场时，电子-种子电子-正电子对级联，即$η= E_{RF}/E_S \sim 1$。下一代多PW激光器焦点中的电子有望达到这一阈值。我们确定了三个不同的级联制度的相互作用的反传播，圆偏振激光脉冲与薄箔通过执行全面扫描的激光强度（从$10^{23}$ - $5\times10^{24}$ \ Wcm $^{-2}$）和初始箔目标密度（从$10^{26}$ - $10^{31}$ \ m $^{-3}$）。对于低密度和低强度，电子对的数量呈指数增长。如果强度和目标密度足够高，则所产生的对的数密度达到相对论校正的临界密度，对等离子体有效地吸收激光能量（通过辐射反应）并且级联饱和。如果初始密度太高，使得初始目标过密，则级联被趋肤效应抑制。我们推导出一个半解析模型，该模型预测，密集对等离子体的地方性特征，这些相互作用的强度以上$10^{24}$ Wcm $^{-2}$提供的目标的相对论趋肤深度是长于激光波长。此外，它表明，对生产最大化在近临界密度的目标，提供了一个指导，为近期的实验。
2018-10-09 physics.plasm-ph
Attosecond Nonlinear Quantum Electrodynamics in Laser-Driven Plasmas via Two-Photon Synchrotron Emission
Princeton University（普林斯顿大学）；Texas A&M University（德克萨斯农工大学）
研究通过激光驱动等离子体中的双光子同步辐射，探索阿秒尺度的非线性量子电动力学现象，提出基于精细结构常数和洛伦兹因子的速率表达式，为分析复杂激光-等离子体相互作用提供指导。
2026-04-22 physics.plasm-ph quant-ph
Relativistic Mirrors in Laser Plasmas (Analytical Methods)
等离子体中的相对论性飞镜被实现为薄而致密的电子（或电子-离子）层，该层被高强度电磁波加速到接近真空中的光速。电磁波经相对论镜反射后，其能量和频率发生变化。在反向传播配置中，反射波的频率乘以与洛伦兹因子的平方成比例的因子。这一科学领域有望发展阿秒范围内的超短X射线脉冲源。预期的强度将达到非线性量子电动力学预测的效应开始发挥关键作用的水平。
2016-03-24 physics.plasm-ph
Experimental signatures of the quantum nature of radiation reaction in the field of an ultra-intense laser
描述电子在任意强度的外电磁场中的动力学是电动力学中最基本的突出问题之一。值得注意的是，到目前为止，还没有一致接受的超高强度的理论解决方案和很少或没有实验数据。基本的挑战是包括电子与电子自身发射的场的自相互作用--所谓的辐射反作用力。我们在这里报告的强辐射反应的实验证据，在一个全光学实验中，高度相对论性的电子（最大能量超过2 GeV）通过一个超强激光场（峰值强度为$4\times10^{20}$ W/cm $^2$）的传播过程中。在它们自己的静止坐标系中，最高能量的电子经历高达量子电动力学临界场的四分之一的电场，并且可以看到在通过激光场的传播期间损失高达30%的它们的动能。实验数据表明，在电子动力学的量子效应的签名在外部激光场，可能显示偏离恒定交叉场近似。
2018-07-30 physics.plasm-ph
Highly Radiating Charged Particles in a Strong Electromagnetic Field
我们考虑了强外电磁场中的高辐射超相对论电子。在量子电动力学的框架下，强场中电子的高强度辐射损耗和随之产生的$e^+e^-$对，间接决定了电子的质量算符。我们计算了在强恒定场中电子能量渐近高时质量算符的一个主导项。我们不使用任何微扰理论，该理论基于该质量算符与电子质量$m_e$的低比率，而仅使用量子电动力学的原始小参数，精细结构常数$α$。对于光子传播子的偏振算符，也得到了类似的%但不那么重要的结果。这些结果至少部分地解决了一个非常长期的争议起源于传统的和直接的应用微扰方法描述的高度辐射超相对论带电粒子在一个非常强的电磁场。
2022-05-17 hep-ph physics.plasm-ph
Extremely high-intensity laser interactions with fundamental quantum systems
激光-物质相互作用领域传统上涉及原子、分子和等离子体对外部光波的响应。然而，最近持续的技术进步正在开辟利用强激光辐射来触发或实质性地影响原子物理学能量尺度以外的物理过程的可能性。可用的光学激光强度超过$10^{22}\;\text{W/cm$ ^2 $}$，可以将基本的光-电子相互作用推到极端极限，在那里辐射-反应效应主导电子动力学，可以揭示量子真空的结构，并且可以触发电子、μ子和π子等粒子及其相应的反粒子的产生。此外，强相干高能光子的新来源和基于激光的粒子对撞机可以为核量子光学铺平道路，甚至可能允许发现超越标准模型的新粒子。这些都是本文章的主要议题，这是专门审查最近的调查范围内的相对论量子动力学，量子电动力学，核和粒子物理，发生在极强的激光场的高能过程。
2012-04-25 hep-ph physics.atom-ph physics.plasm-ph
Photo-excitation production of medically interesting isomers using high-intensity γ-ray source
光子诱导的核激发（即光激发）可以用来产生核同分异构体，这些同分异构体在天体物理、能量储存、医学诊断和治疗等方面具有潜在的应用。本文研究了利用激光-电子康普顿散射（LCS）产生高强度γ射线源制备四种核同分异构体（{99 m}^Tc，{103 m}^Rh和{113 m，115 m}^In）的可行性。综述了这些核异构体的衰变性质及其在医学上的应用。计算了各光激发过程的截面曲线、模拟产率和产物活度。通过调节电子能量来优化LCS γ射线束的截止能量，以使光激发产物的产率和活性最大化。结果表明，在10^{13} γ/s量级的辐照强度下，对靶照射6小时，上述异构体的活性可超过10 mCi。这种放射性强度满足医学诊断的剂量要求。我们的模拟结果表明，使用最先进的LCS γ射线束装置，利用光激发产生医学上感兴趣的异构体的前景。
2020-07-06 nucl-ex physics.app-ph physics.plasm-ph
