基于直接激光加速度的单激光方案实现强场量子电动力学效应

我们研究了基于直接激光加速度（DLA）的单激光方案，以实现强场量子电动力学（QED） régime。具体方法是：电子经由直接激光加速度加速后，与由反射在稠密薄膜上的同一激光脉冲进行头-on 碰撞。在此配置下，电子首先被加速于非稠密等离子体中，由相对激光脉冲驱动，然后与反射激光场相互作用，通过非线性康瑞夫散射发射高能光子，进而通过非线性布雷顿-惠勃过程衰变生成电子-正电子对。通过包含量子效应的准三维粒子-in-cell 仿真，我们证明，功率仅为 2 PW 的激光脉冲即可达到特征参数 $\chi_e> 1$ 的量子 régime。对于更高功率，我们观察到正电子产生数量呈快速非线性增长，达到约 10 PW 激光脉冲（能量约 1.1 kJ）时超过 2 纳克。我们采用半解析模型估算正电子产量，结果与仿真结果良好一致。我们进一步研究了激光耗尽和反射薄膜位置对偶子产生效率的影响。该方案提供了一个可实验实现的平台，利用当前可获得的多太赫鲁激光系统可用于探索强场 QED 效应。