超强激光科学卓越创新简报

(第二百四十一期)

2022年1月10日

上海光机所在强场QED级联动态理论揭示非理想真空的光强极限研究方面取得进展

　　近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强场物理国家重点实验室研究团队在超强激光驱动的量子电动力学（QED）效应方面取得新的进展，揭示了非理想真空情况下的激光光强极限，相关研究成果发表于Photonics Research。

　　在理想真空中，由于量子涨落的存在，激光场强的上限通常被认为是Schwinger场附近（对应约 1029W/cm2的光强）。在这个强度下，激光可以从QED真空中将虚正负电子对变成真实的正负电子对，激发“真空沸腾”，光子能量转换成物质。实际上不存在理想的真空环境，若超强激光遇到非理想真空中的残余粒子，则会激发带电粒子的伽马辐射，以及伽马光子的非线性正负电子对产生，两者级联，最终导致QED雪崩效应，形成正负电子对等离子体。在激光强度远低于Schwinger极限时，就可以触发QED雪崩，由于辐射反作用力，产生的QED等离子体被捕获在驱动激光场中，进一步增强了这种效应，导致激光能量的迅速消耗。研究团队发展了超强激光驱动残存电子的QED雪崩动态物理模型，完整描述了非理想真空中激光光强、正负电子对、伽马光子产生率随时间的演化规律，并通过三维QED粒子网格模拟，验证了该理论的正确性。

　　基于该理论与粒子模拟，研究团队发现激光的峰值强度从1025W/cm2开始出现明显下降，当真空残存电子密度超过109cm-3时，激光聚焦光强在1026W/cm2处出现明显的阈值，即无论如何提高激光峰值功率，聚焦光强均无法超过1026W/cm2。这些结果回答了在现有真空技术条件下可实现的光强极限问题，并为未来数百PW级激光装置的发展提供了指导。

　　相关工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）等项目支持。

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图1 实际峰值光强与设计峰值光强、背景等离子体密度的关系

图2 聚焦过程的激光峰值功率的演化