面向百拍瓦量级激光与等离子体相互作用的QED粒子模拟程序开发及其应用

When a next-generation laser pulse at tens or hundreds of petawatts irradiates on a target, it will strongly excite quantum electrodynamics (QED) processes: nonlinear Compton scattering to generate abundant gamma-photons and Breit-Wheeler process to create electron-positron pairs. The created pairs with the target plasma will interact with the laser pulse and a strong coupling is formed between the QED processes and classic plasma physics effects, which makes the physics very complex and very difficult to study. This problem could be solved by a QED-PIC approach proposed recently, in which a Monte Carlo method is adopted to self-consistently include the QED processes into a classic particle-in-cell (PIC) code...In this project, we will develop such a QED-PIC code after solving three problems existing in the current QED-PIC approach. By the newly-developed code, we plan to study 10-200 petawatt laser interactions with a solid target with a preplasma formed by the laser prepulse. We will clarify how much the QED processes will enhance the laser depletion in the preplasma and how these processes will affect proton acceleration from the target, by which we will estimate the requirement of laser contrast in future laser-solid experiments. Then, we will apply the code to investigate the upper-limit laser intensity able to be acquired, which is limited by a QED cascade, and also explore the other upper-limit laser intensities with different-density plasmas when the classic radiation reaction theory is valid.

下一代超强激光的功率可达百拍瓦。这样的激光照射到靶上，会强烈地激发非线性康普顿散射和Breit-Wheeler等量子电动力学（QED）过程，从而产生大量的伽玛光子和正负电子对；新生的正负电子和靶组成的等离子体继续与激光相互作用，使得经典的等离子体物理过程与QED过程强烈地耦合，给研究带来了挑战。最近提出的QED-PIC方法通过蒙特卡洛方法把QED过程添加到粒子模拟（PIC）中，能包含上述的所有物理过程。.本项目将自主开发QED-PIC程序，并解决现存QED-PIC方法中的三个问题。然后，利用此程序研究10-200拍瓦激光作用固体靶时，QED过程导致预等离子体对激光吸收的增强效应、及对质子加速的影响，然后评估未来的固体靶实验对激光对比度的要求。利用此程序探讨受QED级联过程的限制，人们能获得的激光强度上限（单束激光情形）；评估在不同密度等离子体中，经典辐射阻尼理论成立的激光强度上限。

本项目拟定的研究目标为：“开发面向下一代百拍瓦激光脉冲与等离子体相互作用的粒子模拟程序，并应用此程序研究接近真实参数条件下的激光-固体靶相互作用中的QED效应，以及对质子加速的影响；探讨受QED级联过程的限制能获得的激光强度上限值，以及经典辐射阻尼理论成立的激光强度上限值。此外，此程序也将成为申请人未来研究基于极端强度激光的其他应用的主要工具。” 我们很好地完成了以上研究目标及拟定的研究内容，得到了如下的研究结果：1）开发面向下一代百拍瓦激光脉冲与等离子体相互作用的二维和三维QED-PIC粒子模拟程序, 澄清了目前不同QED-PIC程序中采用的两类不同蒙特卡洛算法之间的差异、以及不同QED理论表达式间的差异；2）用发展的QED-PIC程序做数值模拟，研究10拍瓦—200拍瓦激光与固体靶相互作用时的预等离子体效应，以及当预等离子体存在时QED效应对质子加速的影响；3）发展的QED-PIC模拟研究了受QED效应限制可获得的激光强度上限值，以及经典辐射阻尼理论成立的激光强度上限值；4）进一步地，此程序已经为申请人研究基于极端强度激光的其他应用的主要工具，譬如我们利用发展的QED-PIC程序，提出了利用目前可用的拍瓦强激光脉冲与亚波长细丝靶相互作用时，在靶表面会激发强烈的“同步辐射”过程，能高效地产生高准直的高能伽玛射线，并发表在PNAS 115, 9911 (2018)上；5）另外，我们从局域稳恒场近似条件出发考虑了非线性Compton散射和Breit-Wheeler正负电子对产生过程中的光子偏振和正负电子对极化效应，完善了超强激光与等离子体相互作用中的极化效应计算方法，并结果发表在Phys. Rev. Lett. 125, 044802 (2020)上。.在本项目的支持下，在SCI期刊上发表学术论文15篇，包括2篇Phys. Rev. Lett.（其中1篇以项目负责人为通讯作者），1篇PNAS （项目负责人为第一作者和通讯作者），1篇Science Advances，在国际和国内学术会议上作邀请报告12次，项目负责人获得2018年度的亚太物理学会等离子体物理青年学者奖。