激光的用途(激光的运用有哪些)

极化正电子广泛应用于高能物理、材料物理和实验室天体物理领域。目前传统的极化正电子源是基于Bethe-Heitler机制，用圆偏振γ光或纵向极化电子轰击高Z固体靶。但单次正电子产额只有飞库量级(10-15库仑)，难以满足未来正电子对撞机和极化正电子等离子体物理研究所需的纳米库(10-9库仑)的要求。获得高功率、高密度的极化正电子仍然是一个巨大的挑战。

中国科学院物理研究所/北京国家凝聚态物理研究中心光物理重点实验室L05组博士生宋怀航，研究员李雨桐，中国人民大学物理系教授王为民对激光等离子体物理中的强量子电动力学(QED)自旋极化效应进行了长期理论模拟研究[Physical Review A 100，033407 (2019)]。并开发了世界上第一个QED-PIC程序(PIC: particle-in-cell)，该程序包含了电子/正电子自旋极化和光子极化效应[新物理学杂志23，075005 (2021)]。最近，该团队利用这一程序研究了如何产生高密度偏振正电子源，发现利用激光固体靶实验中常用的配置，可以在1012sr-1激光装置上产生偏振率为30%、电荷为30纳库的正电子束。正电子束的角通量可以达到1012 Sr-1，在特定能量段收集的正电子的偏振率可以达到60% [Physical Review Letters 129，035001 (2022)由于采用了实验中常用的构型(即线偏振激光与具有预等离子体的固体靶相互作用)，不需要特殊的激光器和靶设计，因此该方案更加可行和实用。此外，这项工作表明，在未来百瓦激光装置上的激光固体靶实验中，必然会产生大量极化的正电子和电子，因此在这种情况下必须考虑电子/正电子的自旋和光子极化效应的影响。

在强场QED场中，被外场偏转的高能电子会通过非线性康普顿散射辐射出高能γ光子，γ光子可以通过非线性Breit-Wheeler过程高效地湮灭成正负电子对。以前的研究表明，如果非对称强激光(椭圆偏振激光或双色线偏振激光)与高能电子束碰撞，产生的正电子会自旋极化。而激光尾场加速得到的GeV电子束的电量只有几十皮库仑(10-12库仑)，导致产生的正电子数低于皮库仑。此外，由于光学器件的损伤阈值较低，构建超强非对称激光场非常困难。另一方面，高密度的正电子可以通过10拍瓦和100拍瓦的激光与等离子体的相互作用产生。然而，这些正电子的极化性质尚不清楚，因为广泛用于研究上述问题的QED-PIC程序忽略了自旋极化效应。为了找出这个问题，团队使用了自主开发的YUNIC QED-PIC程序来研究激光与固体靶的相互作用，其中在靶的正面使用了常规的线偏振激光脉冲(激光场的初始对称性)和激光预脉冲产生的微米级预等离子体。模拟结果表明，当激光强度超过1024W/cm2时，正电子会发生明显的偏振，并且这种偏振依赖于偏转角。对于偏转角大于20度的正电子，其极化率可以达到30%，通过筛选具有特定能量的正电子，极化率可以进一步提高到60%(图1)。正电子和电子在产生和脱离激光作用区时的极化可以归因于它们的非对称激光场。虽然激光场入射时是对称的，但在高密度靶正面的等离子体皮层附近，激光场被强烈吸收和反射，同时正电子和电子可以自由穿过这个皮层。因此，正电子和电子只有在经历部分激光场后才进入高密度等离子体，导致它们在皮层附近经历高度不对称的亚周期激光场，从而获得角度依赖的自旋极化。在真实实验中，由于激光预脉冲是不可避免的，本工作的模拟结果表明，在靶前产生的预等离子体将对正电子的极化和产额起重要作用(图2)。这项工作表明，在未来100 PW超强激光与固体靶的相互作用中，极化正电子将无处不在。这些极化的高密度正电子束可以用于研究极化正负等离子体的物理，也可以在后续加速后应用于未来的正电子对撞机。

相关研究成果近日发表在《物理评论快报》上。相关研究工作得到了国家重点R&D项目、国家自然科学基金和中科院战略性先导科技项目的支持。

图1 (a)激光-固体靶相互作用产生偏振正电子的示意图:线偏振激光束入射到固体靶上，靶前的密度尺度长度为微米。激光照射后,( b)正电子数密度和(c)极化率相对于横向偏转角和正电子能量的二维分布，以及相对于横向偏转角的一维分布。

图2正电子产额和极化率随(a)等离子体前密度标度和(b)激光场强度的变化。

资料来源:中国科学院物理研究所