在建的很多激光裝置在不久的將來可以達到5 × 1022W/cm2的強度。大多數早前的模擬計算表明對于PW級激光系統來說在強度低于1023W/cm2時同步發射不太可能實現可觀激光能量向高能光子的轉變。特別地如果要實現百分之十總能量轉化率并使輻射反作用效應變得明顯激光強度或者激光功率要有一個數量級的提高。
本文利用2D和3D粒子模擬程序研究了強度為5 × 1022W/cm2PW級激光脈沖輻照固體密度塊狀靶材時發射的光子。第一步檢驗了固體厚靶材在被一個激光脈沖輻照時的表現，激光參數和texas PW裝置類似。使用5 × 1022W/cm2 PW級激光脈沖對幾種不同密度的靶材下進行了2D的PIC模擬。具體來說，使用了一個波長1μm、線偏振（電場方向在模擬平面內）的高斯型脈沖。脈寬100fs。與5 × 1022W/cm2相對應的峰值歸一化振幅是a0≈190。靶初始設定為完全電離的均勻碳等離子體，電子密度在ne≈4.5nc到ne≈110nc之間，這實際上對應了泡沫和塑料靶。nc=1.1×1021cm-3是臨界密度。模擬盒子的大小是10×10nm,每個盒子里有20到50個電子以及10到20個離子。
如圖1所示，對于高密度靶，激光穿入靶材只是由于穩定的燒孔效應，而在低密度情況下，激光脈沖通過相對論誘導透明穿過靶材。密度掃描顯示數MeV光子產額隨著相對論透明的出現而增高。
圖1. 2D模擬下各種密度下激光能量轉化為1、10、20MeV光子的效率（板塊（b））。板塊（a）和（c）展示了ne=10nc,時間為300fs以及ne=50nc,時間為250fs時密度和電場的快照，能量超過10MeV的光子發射用紅色圈表示。這兩種模擬中輻射能量的時間積分按照發射電子的縱向動量（（d）和（（f））以及相對于激光原始傳播軸夾角（（e）和（g））的函數列出。
圖2. （a）2D通道模擬中300fs時磁場Bz以及電子密度的快照。（b）樣本電子軌跡（黑色），發射超過2MeV（黑圈），發射超過30MeV（白圈）的能量。背景的顏色表示了單個盒子中發射的能量超過30MeV光子的個數。
然而，這些優點的得到是以光子束的方向性為代價的。傳播在相對論透明區的激光束是不穩定的。當激光脈沖偏離軸向（見圖1（a））時被脈沖加速的高能電子也會發生偏離。由于這些電子主要沿著他們動量的方向發射光子，光子束的方向性變得不確定。
磁場（圖2（a））快照的對比揭示了電子電流產生的強磁場的存在，在通道邊緣清晰可見。通道內電子可產生的最大磁場可以估算為：
假定電子密度ne大致為通道電子密度并且R為通道半徑。這一表達式同時假定所有的電子都以相對論速度前向移動，事實上，一些電子相對于通道軸線以一定的角度移動。雖然公式（2）最終過高估計了電子電流以及相應的磁場，但提供了一個數量級估計，B=0.3B0，這與~0.2 B0的模擬觀測值相當。其中B0≈2×106T，為電磁波的磁場。因此我們可以得到兩個結論。第一，估算表明慢變的磁場是由通道內的電子團產生的。更重要的是等離子體可以維持一個與激光脈沖相當的磁場。
強的自生磁場在一定程度上增加了沿通道移動電子所感受到的磁場。重要的是由這一磁場施加的力沒有像在激光場中那樣被電場補償掉。在a0=190時，電子響應時間相對論修正的結果離子的響應時間相當，因此阻礙了強橫向類靜電場的產生。對典型的自生磁場B~0.2B0，可以得到η2≈4 × 10−3與模擬中觀測到的結果相符。這就證實了通道內增強的gamma射線發射直接與強的自生磁場有關。
綜上所述，研究發現既是是在以上激光強度下在一定密度區域內準直的數MeV的光子束可以高效的產生。再這一區域內，在等離子體內驅動了準靜態MT量級的磁場：相對論透明，直接激光加速以及同步發射。與以往文獻中的密度區域不同，等離子體密度必須明顯的低于相對論臨界密度。激光脈沖持續時間和等離子體密度必須選擇恰當以使強磁場區域足夠的長能夠使前向運動的電子沿著通道多次反彈。對于PW級別的激光脈沖，預先設計的靶材結構在與激光相互作用時內部的通道變為相對論透明，這一通道可以控制光子束的方向性并且產生數十TW定向的MeV光子。輻射光子的特性會使一些在成像、醫學治療、同位素產生以及核物理方面的新奇應用的發展成為可能。
摘譯自：D. J. Stark, Enhanced Multi-MeV Photon Emission by a Laser-Driven Electron Beam in a Self-Generated Magnetic Field. Physical review letters, 2016, 116: 185003.
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