超強場科學發展展望

在上個世紀，隨著科學技術的迅猛發展，加速器的能 

量和分辨率都得到指數級的提高。但是到20世紀末期，這種增長趨勢陷入瓶頸。當前通用的物理加速器都是基于射頻技術，它們的加速電場最大為100MeV/m。而自從1960年激光器被發明，科學家就意識到激光電場將會非常強。當今，激光的電場可以達到104TeV/m，這遠遠大于常規加速器的電場，所以激光加速粒子可以使其達到更高的能量。而隨著將來超強激光裝置（ELI）的建成，一系列科學家夢寐以求的實驗也將會實現。文中即對高強度、大能量密度以及高重復頻率的超強激光科學作了展望。因為ELI的超高場強，在施溫格場場或者鄰近場內部的真空就會變得像非線性介質一樣，所以我們可以探測真空的“物質特性”，從而測試狹義相對論和廣義相對論的機制。另外，在超強場情況下的激光加速或者尾波加速都是非常有效的，從而使粒子的能量獲得巨大的突破，可以達到TeV量級。且由于ELI的高重復頻率和能量密度，它將會在高能密度密度、光核物理、原子能、工業和醫學領域得到重大的應用，并有可能開啟新的物理前沿之門。在超強場科學中，激光加速器的尺寸也將會大大減小，其應用領域將會得到很大的拓展，并可以用于宇宙射線和天文現象的探索，另外也可以使相干X射光的脈寬將會壓縮到阿秒（10-18s）甚至zs（10-21s）量級。隨著ELI的建成，也可以通過觀察高能粒子的相互碰撞研究基礎物理。文中著重對ELI在電子加速和離子加速兩方面進行了展望：

1、激光電子加速及相對論工程：對于超強激光場，當激光的峰值強度為1022W/cm2時，激光尾波加速的電子能量可以達到PeV（1015eV）量級，此時所需的激光能量約為10MJ，脈寬為亞皮秒，但因為電子速度達到相對論量級，它們與物質和場的作用就非常強烈，從而使PeV以上的宇宙射線變得極少。這種極強激光尾波加速電子得到相對論能量從而用于研究極端物理也可以稱之為相對論工程，包括利用尾波的相對論飛行鏡、相對論薄膜鏡、相對論離子層、相對論減速器、相對論調制腔的應用等。相對論工程還可以用于緊湊X射線源、相干高次諧波的產生等等。

2、激光離子加速：自從2000年勞倫斯.利弗摩爾國家實驗室（LLNL）的Snavely等人利用1PW的NOVA激光裝置加速質子到58MeV的能量，之后又有一系列的實驗研究激光對離子的加速。最近洛斯阿拉莫斯國際實驗室（LANL）的一個國際物理學家小組利用Trident拍瓦激光裝置作用在鐵砧形銅靶上加速獲得能量高達67.5MeV的質子，實現新的突破。在他們的實驗結果中，離子截止能量大都與激光光強的均方根成正比，且受限于電子的能量，一般是電子能量的幾倍以上。而在超強激光下，當激光峰值能量達到1024W/cm2時，離子（質子）的速度將會達到相對論量級，且被激光的輻射壓直接加速，這和當前的靶后鞘層加速機制(TNSA)完全不同，離子的能量將不再受限于電子的能量，離子的截止量能與激光光強成正比，且離子能譜將會呈現很好的單能性，這將用于緊湊高能離子源的產生。