面向超相对论强激光与等离子体作用的粒子模拟程序开发及其应用

未来高功率激光（譬如欧洲的ELI装置）强度可以被聚焦到10^22-10^25瓦/平方厘米。这种激光束与等离子体作用时，存在极端非线性效应，同时伴随大量高能粒子加速和keV以上高频辐射产生，计算结果极易受数值噪声影响。另一方面电子的辐射阻尼效应可能变得很重要。由于这些因素，传统的粒子模拟（PIC）程序不再完全适用于这类问题的研究，需要发展高精度的粒子模拟程序，并考虑辐射阻尼效应。本项目将根据Laudau-Lifshitz方法修正粒子的运动方程，以在粒子模拟中包含辐射阻尼过程；采用高阶插值算法以减少数值噪声；采用无色散的算法解麦克斯韦方程组和采用有效的横向吸收边界算法以保证考察区域内的激光场的正确性。用编写的新程序研究超相对论强激光有质动力加速产生10-100GeV电子束的方案和超相对论强激光在等离子体中的自引导和腔道引导等传输问题。

我们很好地完成了本项目拟定的所有研究内容，实现了拟定的研究目的：1）开发了一个适合研究超相对论激光与等离子体相互作用的粒子模拟（PIC）程序KLAPS，即此程序包括辐射阻尼效应、2-4阶“之”字形高阶电流算法、一个对麦克斯韦方程的无色散算法、一种简便的吸收边界算法；2）并应用此程序研究了超相对论强激光在等离子体中的传输特性，首次发现了激光自聚焦存在着功率上限，并给出此上限表达式，并用粒子模拟进行了验证；3）应用此程序演示了超相对论强激光有质动力加速产生10-100GeV电子束,并研究了辐射阻尼效应。进一步地，项目负责人利用本项目发展的数值方法，首次采用真实快点火靶密度、实现了对快点火的整体PIC模拟，并提出了外加磁场下的快点火方案，该工作发表在Phys.Rev.Lett.上。在本项目的支持下，发表国内外学术论文19篇, 其中：1篇Phys.Rev.Lett.文章，1篇PNAS文章，1篇Sci. Rep.文章。