沈百飞，吉亮亮，张晓梅，步志刚，徐建彩
- 上海师范大学数理学院
- 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室
摘要：相干X光，特别是X射线自由电子激光技术的发展提供了一种新的产生超强光场的途径。由于其较高的光子能量、高峰值功率密度与超短的脉冲长度，有望将强场激光物理从可见光波段推进到X光波段。目前，基于X射线的非线性原子分子物理已取得了初步进展，随着X射线光强的提升，相互作用将进入相对论物理、强场量子电动力学（quantum electrodynamics，QED）物理等领域，为激光驱动加速与辐射、QED真空、暗物质的产生与探测等带来新的科学发现机会。本文对强场X射线激光在固体中的尾场加速、真空极化、轴子的产生与探测等方面进行介绍，旨在阐明X射线波段强场物理在若干基础前沿与关键应用方面的独特优势，并对未来的发展方向进行展望。
关键词：X射线激光及探测；强场激光物理；粒子加速与辐射；QED物理；暗物质探测
在可见光波段，Strickland 和 Mourou于1985 年发明的啁啾脉冲放大技术（chirped pulse amplification, CPA）将大量能量为eV量级的光子压缩到飞秒的时间尺度，将激光的聚焦强度推进到相对论水平（聚焦光强>1018 W/cm2），甚至更高，极大拓展了光与物质相互作用的研究领域和应用潜力，发明者也因此获得了2018年诺贝尔物理学奖。另一方面，Tajima和Dawson开辟了基于强激光与等离子体相互作用的粒子加速新领域，人们也逐渐发现了强激光在高峰值亮度超快次级辐射源、强场物理基础前沿研究等方面的独特优势。在这些科学目标的驱动下，过去二十年，全世界建立了众多拍瓦级（1 PW = 1015 W）激光装置，十拍瓦激光装置也 逐渐开始运行，并针对百拍瓦级的超强激光进行了规划、建设。但由于光学器件存在损伤阈值，往往只能通过增大器件尺寸来提高峰值功率，这对精密光学加工、大尺寸放大介质制备等技术带来了极大的挑战，现有的激光材料与技术途径可能 难以支撑艾瓦级（1 EW = 1018 W）的峰值功率，影响了强场激光物理研究的可持续发展。即使利用相干合束技术，除了技术难度之外，总的光学口径尺寸也难以减小。为突破传统光学方法的限制，人们也提出以等离子体为介质的方法，它能够承受更高的光强，从原理上可以支持超高功率。例如通过气体等离子体中的 受激拉曼参量过程，可以将能量从大能量、长脉冲的泵浦光传递到短脉冲信号光，使后者得到显著放大。采用等离子体光栅，也有望明显放宽压缩脉冲的光强阈值要求。此外，也可以利用超强激光驱动的等离子体飞镜产生超强光场和具有线性啁啾的超强激光。等离子体光学方法的概念十分新颖，但其技术难度很高，实现还有待进一步研究。 近年来，基于自由电子激光原理的X射线脉冲亮度取得了巨大提升，目前峰值光强可达到1021 W/cm2。自由电子激光（free-electron-laser, FEL）将高能电子束注入周期波荡器中，电子辐射产生的光场对电子束进行纵向聚束调制，产生高度相干的辐射，光子能量目前可以达到数十keV。这种短波长、超高峰值亮度的相干光源在产生极端强场方面具有巨大潜力。可以从以下定标率进行简单估算：给定总能量E，对应总光子数为E/(hv)，其中v为光子频率，h是普朗克常数。
https://kns.cnki.net/kcms/detail/detail.aspx?dbcode=CAPJ&dbname=CAPJLAST&filename=WLXB20210303006&v=K5bYKqTXuu67gbRrSi61X%25mmd2F5W2%25mmd2FuFnBJdZWcSkcCDWyn3CRJ4PMm5T2qRxTzpPgGM
