强激光辐照纳米-微米阵列产生的极亮阿秒 $\gamma$ 射线发射与高产额正电子

我们研究了一种产生极亮阿秒 $\gamma$ 射线发射和高产额正电子的新方案，该方案通过将超强激光脉冲入射到带有基底的纳米-微米阵列 (NMA) 上来实现。该方案能够有效实现电子加速和对撞几何结构。随后以高转换效率产生了 $\gamma$ 射线闪光和正电子束。在激光强度为 $I_0 = 8 \times 10^{23} \mathrm{W/cm^2}$ 时，约 27% 的激光能量成功转化为 $\gamma$ 射线，约 0.7% 的激光能量转化为正电子。结果产生了超短（约 440 as）且超亮（在 15 MeV 下约为 $10^{24} \mathrm{photons\ s^{-1}\ mm^{-2}\ mrad^{-2}}$ 每 0.1%BW）的 $\gamma$ 射线爆发，以及高产额（$1.48 \times 10^{11}$）和过密（约 $10^{22} \mathrm{cm^{-3}}$）的正电子束。我们发现了激光到光子转换效率与激光强度呈次线性标度（正比于 $I_0^{0.75}$），以及激光到正电子转换效率与激光强度呈超线性标度（正比于 $I_0^{2.5}$）。多维粒子模拟表明，粒子（$\gamma$ 光子和正电子）的产生可以通过激光聚焦位置以及 NMA 的长度和间距来调控。我们获得了 NMA 中粒子产生的最佳条件，表明在极端激光场中，微米线阵列在粒子产生方面优于纳米线阵列。此外，讨论了高能量密度 (HED) 环境中的正电子湮灭效应。使用 NMA 的方案将为利用即将到来的 10 PW 激光设施研究阿秒核科学和 HED 物理提供有效途径。