[论文解读] Volkov States and Non-linear Compton Scattering in Short and Intense Laser Pulses

D. Seipt|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 49被引用 6

一句话总结

本文利用维科创波函数和相对论量子电动力学，研究了在短而强激光脉冲中非线性康普顿散射。结果表明，通过啁啾激光脉冲可补偿脉冲持续时间和强度引起的光谱展宽，从而在高激光强度（a₀ ≳ 1）下实现明亮、窄带的伽马射线源。

ABSTRACT

The collision of ultra-relativistic electron beams with intense short laser pulses makes possible to study QED in the high-intensity regime. Present day high-intensity lasers mostly operate with short pulse durations of several tens of femtoseconds, i.e.~only a few optical cycles. A profound theoretical understanding of short pulse effects is important not only for studying fundamental aspects of high-intensity laser matter interaction, but also for applications as novel X- and gamma-ray radiation sources. In this article we give a brief overview of the theory of high-intensity QED with focus on effects due to the short pulse duration. The non-linear spectral broadening in non-linear Compton scattering due to the short pulse duration and its compensation is discussed.

研究动机与目标

• 理解短脉冲持续时间对高强度激光-物质相互作用中非线性康普顿散射的影响。
• 分析由有限激光带宽和强度依赖的ponderomotive位移引起的光谱展宽效应。
• 探索补偿光谱展宽的方法，以增强逆康普顿X射线和伽马射线源的光谱亮度。
• 利用维科创波函数和狄拉克-维科创传播器，为脉冲激光场中的强场量子电动力学建立理论框架。
• 评估在高亮度伽马射线源于高激光强度（a₀ ≳ 1）下运行时，不发生光谱退化可行性的可能性。

提出的方法

• 使用维科创波函数和狄拉克-维科创传播器描述电子在时变激光场中的动力学行为。
• 采用光锥坐标系以简化平面波激光场中电子的相对论动力学。
• 通过矩阵元 ⟨M|² 推导非线性康普顿散射振幅，将动量 πμ 投影到光子动量上。
• 分析由激光脉冲带宽（∆φ⁻¹）和强度依赖的ponderomotive效应引起的光谱线展宽。
• 引入具有时间依赖频率的啁啾激光脉冲，通过使脉冲的光谱蓝移与电子准动量演化相匹配，以抵消光谱展宽。
• 通过未啁啾脉冲与最优啁啾脉冲的光谱数值比较，评估啁啾的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限脉冲持续时间如何影响非线性康普顿散射中的光谱线形？
• RQ2 短脉冲非线性康普顿散射中强度依赖的光谱展宽的来源及其量级是什么？
• RQ3 是否可以在保持高激光强度（a₀ ≳ 1）的同时补偿光谱展宽，以实现明亮的辐射源？
• RQ4 去相位参数 a₀²∆φ 在决定光谱展宽起始中的作用是什么？
• RQ5 啁啾激光脉冲整形在恢复光谱亮度和展窄发射带宽方面的有效性如何？

主要发现

• 非线性康普顿散射中的光谱展宽源于两个因素：激光带宽（∆φ⁻¹）和强度依赖的ponderomotive效应，相对带宽为 ∼(a₀²/2)/(1 + a₀²/2)。
• 由于脉包前沿和后沿辐射之间的干涉，展宽光谱中出现 O(a₀²∆φ) 个次峰。
• 当去相位参数 a₀²∆φ ≳ 1 时，光谱展宽变得显著，即使对于弱脉冲（a₀ ≪ 1），若激光带宽较窄亦然。
• 啁啾激光脉冲——在脉冲中心呈现光谱蓝移——可有效补偿 ponderomotive 展宽，恢复窄线光谱。
• 最优啁啾可实现高亮度逆康普顿伽马射线源在高强激光下（a₀ = 1.5）运行，如图7所示。
• 该补偿机制使得在 10²³–10²⁵ W/cm² 的高强度下，实现高亮度、窄带硬伽马辐射源成为可能，适用于下一代激光装置。