结构靶激光辐照产生的准直伽马射线束——如何在不提高激光强度下提升效率

利用三维动力学模拟，我们研究了预填充圆柱通道的结构靶在激光辐照下发射准直伽马射线束的过程。该通道引导入射激光脉冲，产生缓慢演化的方位角等离子体磁场，起到两个关键作用：增强激光驱动的电子加速，并诱导高能电子发射伽马射线。我们的主要发现是，利用具有最优密度的通道，可在不提高激光强度的情况下显著提升激光能量向伽马射线束（张角 $5^{\circ}$）的转换效率。当入射激光功率 $P$ 从 1 PW 增至 4 PW 且激光峰值强度固定为 $5 \times 10^{22}$ W/cm$^2$ 时，向多 MeV 光子的转换效率大致随 $P$ 线性增加。该标度律通过使用通道中 10 至 $20 n_{cr}$ 的最优等离子体密度范围实现，其中 $n_{cr}$ 为电磁波的经典截止密度。相应的光子数标度关系为 $P^2$。直接受益于此种强标度律的一个应用是通过双光子碰撞产生正负电子对，在固定激光强度下生成的对数量随 $P^4$ 增加。