超强场科学发展展望

在上个世纪，随着科学技术的迅猛发展，加速器的能 

量和分辨率都得到指数级的提高。但是到20世纪末期，这种增长趋势陷入瓶颈。当前通用的物理加速器都是基于射频技术，它们的加速电场最大为100MeV/m。而自从1960年激光器被发明，科学家就意识到激光电场将会非常强。当今，激光的电场可以达到104TeV/m，这远远大于常规加速器的电场，所以激光加速粒子可以使其达到更高的能量。而随着将来超强激光装置（ELI）的建成，一系列科学家梦寐以求的实验也将会实现。文中即对高强度、大能量密度以及高重复频率的超强激光科学作了展望。因为ELI的超高场强，在施温格场场或者邻近场内部的真空就会变得像非线性介质一样，所以我们可以探测真空的“物质特性”，从而测试狭义相对论和广义相对论的机制。另外，在超强场情况下的激光加速或者尾波加速都是非常有效的，从而使粒子的能量获得巨大的突破，可以达到TeV量级。且由于ELI的高重复频率和能量密度，它将会在高能密度密度、光核物理、原子能、工业和医学领域得到重大的应用，并有可能开启新的物理前沿之门。在超强场科学中，激光加速器的尺寸也将会大大减小，其应用领域将会得到很大的拓展，并可以用于宇宙射线和天文现象的探索，另外也可以使相干X射光的脉宽将会压缩到阿秒（10-18s）甚至zs（10-21s）量级。随着ELI的建成，也可以通过观察高能粒子的相互碰撞研究基础物理。文中着重对ELI在电子加速和离子加速两方面进行了展望：

1、激光电子加速及相对论工程：对于超强激光场，当激光的峰值强度为1022W/cm2时，激光尾波加速的电子能量可以达到PeV（1015eV）量级，此时所需的激光能量约为10MJ，脉宽为亚皮秒，但因为电子速度达到相对论量级，它们与物质和场的作用就非常强烈，从而使PeV以上的宇宙射线变得极少。这种极强激光尾波加速电子得到相对论能量从而用于研究极端物理也可以称之为相对论工程，包括利用尾波的相对论飞行镜、相对论薄膜镜、相对论离子层、相对论减速器、相对论调制腔的应用等。相对论工程还可以用于紧凑X射线源、相干高次谐波的产生等等。

2、激光离子加速：自从2000年劳伦斯.利弗摩尔国家实验室（LLNL）的Snavely等人利用1PW的NOVA激光装置加速质子到58MeV的能量，之后又有一系列的实验研究激光对离子的加速。最近洛斯阿拉莫斯国际实验室（LANL）的一个国际物理学家小组利用Trident拍瓦激光装置作用在铁砧形铜靶上加速获得能量高达67.5MeV的质子，实现新的突破。在他们的实验结果中，离子截止能量大都与激光光强的均方根成正比，且受限于电子的能量，一般是电子能量的几倍以上。而在超强激光下，当激光峰值能量达到1024W/cm2时，离子（质子）的速度将会达到相对论量级，且被激光的辐射压直接加速，这和当前的靶后鞘层加速机制(TNSA)完全不同，离子的能量将不再受限于电子的能量，离子的截止量能与激光光强成正比，且离子能谱将会呈现很好的单能性，这将用于紧凑高能离子源的产生。