冬-物理学进展.PDF

。 物 理 学 进 展 Vo1．19．NO．3 PROGRESSIN PHYSICS Sept．1999 超强激光场物理学 孟绍贤 (中国科学院 上海光学精密机械研究所．上海 201800) 冬}’ 摘 要 首先．评述了超强激光场的理论结果；其次，描述了超短光脉冲在密的气体和光学 介质传播中的白作用；第三，评述了强场离化无碰撞等离子体中高度离化的离子产生，及高功 率超短激光脉冲巨大强度的电场可用于 电子加速；第四，分析了超短声脉冲和无线电脉冲的 产生和应用，讨论 了在不同条件下，激光辐射谐波和X射线激光的产生。进一步评述 了超强 激光脉冲与凝聚靶相互作用可以产生接近星体物质参数的高温、超密、强磁场和巨大压力等 离子体i最后，简要叙述了激光激发核、核反应。高能电子一 进行的实验。 关键词 超短光脉冲 高能粒子 等离子体辐射 凝聚靶 核反应 量子电动力学 0引言 越强 最近几年，在获取高功率、高强度脉冲的能力上发生了革命性的变化。嘱啾脉冲放大 技术使人们可以从高储能介质中有效的提取能量并得到短脉冲。同时避免 由于高强度而 产生的非线性效应。目前，在劳仑兹 ·利弗莫尔国家实验室已建成输出为 1．5PW (1PW =10 W)的高功率激光系统，它的聚焦辐射强度可达到 10W／era 。这对应的电场强度 为～8×10“V／cm，大大超过介质内部形成的库仑场强。从而开辟了超强激光场与物质 相互作用的新领域_J l_。 首先，它形成介质的这样状态：介质某些参数的弛豫时间超过激光脉冲的宽度，可 以 研究物质在这样状态中的基本特性。它允许在物质中建立超过原子 内场强的超强电场。 如氢原子作用于第一波尔轨道电子的场强为 5．14·10V／cm．对应的光强为 3．4，1016w ／ 2 cm 。 这样强的激光束的存在开辟了一种新的物理方向一非线性原子(电子)物理学。场对 物质的电离和高离化态离子的产生有重大意义，在强度低于电离阈值及快电离(在几个场 周期内发生)时研究稀薄和稠密气体中的不稳定非线性过程(超连续和高次谐波辐射的产 生、频率和脉冲宽度的变化)也很有意义。与这些研究相关的还有由场电离时产生的低密 度等离子体特殊性质的研究。这种等离子体的一种基本应用是建立X射线激光器。 收稿 日期：1999—03—22i修改 日期：1999—04—27 3期 盂绍贤：超强激光场物理学 当激光辐射强度 I10”w ／cm2时，电子集体振动速度 大于热速度．这时将产生 新的物理体系：高温皮秒超稠密激光等离子体．在激光脉冲高对比度时．这种等离子体中 的电子不能把任何明显的能量转移给离子．因此在脉冲期间离子 的加热和等离子体的飞 溅事实上没有发生．并可获得固体密度的热等离子体。这一超稠密等离子体可 以看作快 粒子超短脉冲源和 x射线辐射源，也可以作为复合 X射线激光器的介质。在此强度下． 在稀薄等离子体中激光能以1GeV／m 的速度加速粒子至超高能量，超过一般加速器的类 似速度 。 强度继续增加至高于 1O”w／cm 时．当电子在电磁波场 中的振动能量等于其静止能 量时，就会又一次达到新的物理阈值。这一情况与物理相对论(核)激光等离子体有关，因 为在激光束场中聚集的电子能量超过兆电子伏，并使场能直接影响核态。这涉及由电子 参与的核反应 。 在大通量时(I1-100w ／cm2)，强场直接作用情况下核激励和核反应成为可能，并会 形成相当数量的受激核。用选择靶的成分和辐照条件的方法从受激核能形成核能级粒子 数反转的介质，它有助于找出设计 7射线激光器的新途径 。 以后的物理阈值发生在通量密度 JJo=(c／4x)(mec／ )=10 W ／era2时，那时 聚集在康普顿长度 h 上的电子能量超过它的静止能量。在这种通量密度下，有可能研 究新的激光物理方向，即量子电动力学，如光子散射对超强激光场中电子的影响。为了降 低必须的激光脉冲强度．在