本書主要介紹超強超短激光與等離子體相互作用的基本理論和實驗方法，重點為強場激光的相對論效應(yīng)和量子電動力學(xué)效應(yīng)。前三章為一些理論介紹，包括強場激光、強激光與電子、原子和團簇相互作用以及等離子體物理基礎(chǔ)理論；第4、5章分別為強激光與稀薄等離子體和固體靶相互作用；第6章簡單介紹傳統(tǒng)加速器和高能粒子束，為后面幾章作準(zhǔn)備；第7～9章為強場激光的重要應(yīng)用，即強激光驅(qū)動的高能電子束、高能離子束和強輻射源；第10、11章為強場激光在等離子體和真空中的量子電動力學(xué)效應(yīng)；第12章介紹激光核物理。
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目錄
前言
第1章強場激光1
1.1光子1
1.2光波2
1.3光場的量子化3
1.4短脈沖激光7
1.5啁啾脈沖放大9
1.6激光模式11
1.6.1高斯激光11
1.6.2貝塞爾光14
1.6.3拉蓋爾-高斯光15
1.6.4矢量光21
1.7激光縱向場22
1.8非理想光束和多模激光23
1.9激光對比度25
1.10激光的相干性26
1.11強場激光的發(fā)展趨勢28
第2章強激光與電子、原子和團簇相互作用33
2.1相對論協(xié)變描述33
2.2電磁相互作用基本理論34
2.2.1洛倫茲規(guī)范35
2.2.2庫侖規(guī)范36
2.2.3激光的能量、動量和角動量36
2.2.4電磁場中電荷運動的基本方程40
2.2.5坐標(biāo)變換和洛倫茲變換42
2.3帶電粒子在恒定磁場中的運動43
2.3.1回旋運動44
2.3.2漂移運動45
2.3.3絕熱不變量47
2.3.4縱向不變量和費米加速50
2.3.5磁譜儀51
2.4電子在電磁場中的運動51
2.5激光驅(qū)動電子加速（非尾場）56
2.5.1稀薄等離子體中電子加速56
2.5.2平面激光對電子薄層的加速57
2.5.3非平面光束驅(qū)動電子加速58
2.5.4真空加速的一般性討論58
2.6強激光與原子相互作用59
2.6.1光場電離59
2.6.2氣體高次諧波62
2.7強激光與團簇相互作用64
2.8強激光與原子核相互作用67
第3章等離子體物理基礎(chǔ)理論68
3.1等離子體的重要特性68
3.1.1德拜長度69
3.1.2等離子體鞘層70
3.1.3耦合等離子體71
3.1.4碰撞頻率72
3.1.5等離子體頻率76
3.1.6電離與復(fù)合78
3.1.7薩哈平衡79
3.2等離子體描述方法80
3.2.1單粒子軌道80
3.2.2粒子模擬80
3.2.3等離子體的動理學(xué)描述82
3.2.4等離子體流體方程84
3.2.5相對論磁流體方程86
3.2.6物態(tài)方程90
3.2.7等離子體流體數(shù)值模擬90
3.3磁化等離子體91
3.3.1廣義歐姆定律92
3.3.2磁化等離子體的.值92
3.3.3磁凍結(jié)和磁擴散93
3.4等離子體中的波95
3.4.1色散關(guān)系和介電張量95
3.4.2電子等離子體波97
3.4.3離子聲波99
3.4.4磁聲波101
3.4.5阿爾芬波102
3.5流體不穩(wěn)定性103
3.5.1瑞利-泰勒不穩(wěn)定103
3.5.2.箍縮和Z箍縮106
3.5.3臘腸和扭曲不穩(wěn)定性108
3.6動理學(xué)不穩(wěn)定性109
3.6.1粒子-波相互作用109
3.6.2韋伯不穩(wěn)定性110
3.6.3其他不穩(wěn)定性114
3.7自相似模型114
3.7.1等離子體膨脹114
3.7.2爆轟波116
第4章強激光與稀薄等離子體相互作用118
4.1強激光在等離子體中的傳輸方程118
4.1.1基本方程118
4.1.2等離子體對弱激光場的線性響應(yīng)119
4.1.3相對論強激光的傳輸方程120
4.1.4激光在等離子體中傳輸?shù)纳㈥P(guān)系120
4.1.5相對論自透明122
4.1.6慢變振幅近似122
4.1.7準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)近似122
4.2激光的傳輸123
4.2.1高斯激光在真空中的傳輸123
4.2.2激光在氣體中的傳輸125
4.2.3激光在磁化等離子體中的傳輸128
4.2.4法拉第旋轉(zhuǎn)130
4.3相對論冷等離子體流體方程131
4.3.1一維相對論冷等離子體133
4.4激光的縱向調(diào)制與孤子136
4.5激光的橫向調(diào)制與自聚焦138
4.5.1等離子體密度擾動引起的自聚焦138
4.5.2相對論自聚焦139
4.5.3激光在預(yù)等離子體通道中的傳輸142
4.5.4激光等離子體通道間的相互作用143
4.6參量過程144
4.6.1三波耦合的一般理論144
4.6.2受激拉曼散射145
4.6.3相對論激光的拉曼散射150
4.6.4渦旋激光的受激拉曼散射151
4.6.5受激拉曼散射的抑制152
4.6.6雙等離子體波衰變157
4.6.7受激布里淵散射159
4.7等離子體光柵161
第5章強激光與固體靶相互作用162
5.1激光固體等離子體相互作用中的基本物理過程162
5.2一維非均勻等離子體的WKB解163
5.2.1s偏振斜入射165
5.3強激光與固體薄膜相互作用166
5.3.1圓偏振相對論激光在稠密等離子體中傳輸?shù)慕馕鼋?66
5.3.2相對論透明169
5.3.3薄膜靶產(chǎn)生少周期相對論激光脈沖171
5.3.4兩束激光與薄膜靶相互作用172
5.3.5相對論激光與雙靶的相互作用172
5.4臨界密度附近的激光等離子體加熱172
5.4.1光陰極發(fā)射172
5.4.2碰撞吸收172
5.4.3u×B加熱175
5.4.4真空加熱176
5.4.5共振加熱176
5.4.6線性模式轉(zhuǎn)換177
5.4.7結(jié)構(gòu)靶178
5.5等離子體密度輪廓的演化178
5.5.1電子溫度179
5.5.2熱傳導(dǎo)179
5.5.3密度輪廓變陡181
5.6電磁波在等離子體表面和等離子體通道中的傳輸183
5.6.1電磁波在等離子體表面的傳輸183
5.6.2電磁波在中空等離子體通道中的傳輸185
5.7激光打孔和相對論有質(zhì)動力通道186
5.7.1有質(zhì)動力通道187
5.7.2長脈沖激光的打孔效應(yīng)188
第6章傳統(tǒng)加速器和高能粒子束190
6.1傳統(tǒng)加速器190
6.1.1天然加速機制190
6.1.2高電壓加速器191
6.1.3電磁感應(yīng)加速器192
6.1.4射頻加速器193
6.1.5穩(wěn)相加速196
6.1.6傳統(tǒng)加速器的應(yīng)用196
6.1.7傳統(tǒng)加速器的現(xiàn)狀197
6.2高能粒子束的基本性質(zhì)197
6.2.1能散度197
6.2.2電流強度198
6.2.3發(fā)射度198
6.2.4發(fā)射度測量200
6.2.5亮度201
6.3粒子束在真空和磁場中的傳輸202
6.3.1高能粒子在常梯度磁場中的弱聚焦202
6.3.2磁四極透鏡204
6.3.3粒子在磁場中運動的哈密頓描述205
6.3.4粒子傳輸矩陣207
6.3.5螺線管磁場210
6.3.6劉維爾定理211
6.3.7單粒子運動橢球212
6.3.8粒子束的壓縮213
6.4強流電子束214
6.4.1真空中高能粒子束的場214
6.4.2背景等離子體中電子束的電磁場216
6.4.3電子束自身電磁場對電子橫向運動的影響216
6.5粒子源217
6.5.1電子源217
6.5.2正電子源217
6.5.3離子源218
6.5.4繆子源218
第7章等離子體電子加速219
7.1傳統(tǒng)加速器中的尾場219
7.2激光驅(qū)動一維尾場220
7.2.1一維尾場方程220
7.2.2波破與最大尾波場223
7.2.3稀薄等離子體中非線性尾場225
7.3三維尾場225
7.3.1線性尾場226
7.3.2三維空泡的場結(jié)構(gòu)227
7.4粒子束驅(qū)動尾場229
7.4.1同軸加速能量極限230
7.4.2電子束驅(qū)動尾場231
7.4.3質(zhì)子束驅(qū)動尾場234
7.5自調(diào)制尾場加速234
7.6拍頻激光驅(qū)動等離子體波235
7.7電子在尾場中的運動235
7.7.1背景電子的捕獲235
7.7.2電子失相和激光侵蝕236
7.7.3試探電子在尾場中的縱向運動237
7.7.4電子在尾場中的橫向回旋運動238
7.8空泡加速對激光參數(shù)的要求241
7.9電子注入與電子源242
7.9.1激光注入243
7.9.2密度梯度注入244
7.9.3電離注入244
7.9.4顆粒注入246
7.10等離子體尾場加速的優(yōu)化247
7.10.1注入優(yōu)化247
7.10.2單級加速優(yōu)化247
7.10.3多級加速與外注入249
7.11等離子體尾場電子加速實驗方法與進展250
7.11.1等離子體參數(shù)2507.11.2激光參數(shù)251
7.11.3目前實驗進展252
7.12激光等離子體相互作用的其他加速機制252
7.12.1激光直接加速252
7.12.2渦旋激光加速253
7.12.3大電荷量電子加速253
7.13激光驅(qū)動尾場加速的自相似定標(biāo)254
第8章等離子體離子加速255
8.1鞘層場加速255
8.1.1鞘層場加速基本理論256
8.1.2激光對比度對鞘層場加速的影響259
8.1.3改進型靶后鞘層場加速259
8.1.4鞘層場加速的特點260
8.2無碰撞激波加速260
8.2.1激波基本理論260
8.2.2相對論激波263
8.2.3無碰撞靜電激波264
8.2.4強激光熱壓驅(qū)動的靜電激波267
8.3強激光光壓驅(qū)動的靜電激波269
8.3.1光壓驅(qū)動靜電激波加速基本理論269
8.3.2光壓驅(qū)動靜電激波加速的準(zhǔn)穩(wěn)結(jié)構(gòu)271
8.3.3試探粒子在靜電場中的運動274
8.3.4靜電激波加速中的一維不穩(wěn)定性274
8.3.5靜電激波重離子加速275
8.4磁聲激波質(zhì)子加速276
8.5強激光驅(qū)動光壓加速279
8.5.1光壓整體加速279
8.5.2光壓加速的微觀機制281
8.5.3光壓加速中的橫向不穩(wěn)定性282
8.5.4光壓加速的特點283
8.6等離子體尾場質(zhì)子加速284
8.6.1激光驅(qū)動尾場質(zhì)子加速284
8.6.2質(zhì)子束驅(qū)動尾場質(zhì)子加速285
8.6.3等離子體尾場質(zhì)子加速的橫向聚焦286
8.7其他加速機制287
8.7.1磁渦旋加速287
8.7.2BOA加速287
8.8外注入和級聯(lián)加速287
8.8.1級聯(lián)鞘層場質(zhì)子加速287
8.8.2其他級聯(lián)加速機制288
8.9等離子體離子加速展望290
第9章強激光驅(qū)動輻射源292
9.1輻射描述292
9.2熱輻射294
9.3激光驅(qū)動原子輻射294
9.3.1K.線輻射295
9.4X射線激光295
9.4.1增益系數(shù)296
9.4.2電子碰撞激發(fā)機制297
9.4.3復(fù)合泵浦機制298
9.4.4X射線激光的進展298
9.5靜磁場的產(chǎn)生和測量299
9.5.1熱電機制299
9.5.2韋伯不穩(wěn)定性產(chǎn)生磁場300
9.5.3圓偏振或渦旋激光產(chǎn)生的軸向靜磁場300
9.5.4真空中產(chǎn)生強磁場300
9.5.5磁重聯(lián)300
9.5.6磁場測量302
9.6電子運動產(chǎn)生的輻射303
9.6.1運動電荷的輻射功率303
9.6.2輻射反作用304
9.6.3運動電荷的輻射電磁場305
9.7同步輻射308
9.8回旋輻射310
9.8.1高能電子在等離子體空泡中的回旋輻射312
9.9自由電子激光313
9.10湯姆孫散射和康普頓散射318
9.10.1湯姆孫散射用于等離子體診斷319
9.10.2非線性湯姆孫散射和非線性康普頓散射323
9.11相對論高次諧波324
9.11.1弱相對論激光驅(qū)動的高次諧波324
9.11.2高密度固體表面相對論諧波324
9.11.3圓偏振激光驅(qū)動的高次諧波325
9.11.4相對論振蕩鏡模型326
9.11.5超強相對論激光的高次諧波327
9.11.6渦旋相對論激光的高次諧波327
9.12軔致輻射328
9.13切倫科夫輻射328
9.14渡越輻射330
9.15太赫茲輻射333
9.15.1與稀薄等離子體相互作用產(chǎn)生太赫茲輻射333
9.15.2與固體靶相互作用產(chǎn)生太赫茲輻射334
9.16強激光驅(qū)動電磁脈沖334
9.17光子加速與相對論運動鏡面反射334
9.17.1光子加速基本理論335
9.17.2相對論運動鏡面反射337
9.17.3超光速鏡面與光脈沖折疊338
第10章強場激光等離子體相互作用中的量子電動力學(xué)效應(yīng)339
10.1狄拉克方程339
10.2施溫格場345
10.3弱場微擾散射346
10.3.1弱場散射理論346
10.3.2康普頓散射348
10.3.3單光子光光散射349
10.4強場量子電動力學(xué)效應(yīng)350
10.5輻射主導(dǎo)區(qū)和量子主導(dǎo)區(qū)353
10.5.1輻射反作用與輻射主導(dǎo)區(qū)353
10.5.2單電子在激光場中的輻射反作用354
10.5.3等離子體中的輻射反作用355
10.5.4量子主導(dǎo)區(qū)357
10.6弱場近似、局域交叉場近似和恒定場近似357
10.7強場量子電動力學(xué)效應(yīng)的數(shù)值模擬358
10.7.1蒙特卡羅模擬360
10.7.2正負電子對產(chǎn)生362
10.7.3數(shù)值計算中的其他問題363
10.8電子極化363
10.8.1輻射極化效應(yīng)364
10.8.2相對論性自旋電子在電磁場中的運動365
10.9強激光驅(qū)動正負電子對實驗進展366
10.9.1高能電子非線性康普頓散射及真空正負電子對產(chǎn)生實驗367
10.9.2強激光與等離子體相互作用產(chǎn)生正負電子對368
10.9.3正電子加速370
10.10強激光驅(qū)動極化粒子束371
10.11反質(zhì)子、繆子等的產(chǎn)生372
第11章真空強場量子電動力學(xué)效應(yīng)373
11.1光光散射373
11.2真空雙折射374
11.3四波混頻效應(yīng)376
11.4經(jīng)典隨機行走和量子隨機行走380
11.5多模激光的光光散射381
11.6真空正負電子對產(chǎn)生381
11.7強場激光與類軸子387
第12章激光核物理389
12.1重要核過程389
12.1.1核結(jié)構(gòu)389
12.1.2核衰變與譜寬390
12.1.3核自旋391
12.1.4巨共振392
12.1.5電子躍遷激發(fā)核躍遷393
12.2等離子體中核反應(yīng)394
12.2.1等離子體中的核反應(yīng)截面394
12.3激光核聚變396
12.3.1快點火和沖擊波點火399
12.3.2PB反應(yīng)400
12.3.3聚變-裂變堆400
12.4核反應(yīng)射線源400
12.4.1聚變中子源401
12.4.2激光質(zhì)子束驅(qū)動中子源401
12.4.3聚變質(zhì)子源401
12.4.4激光質(zhì)子驅(qū)動活化反應(yīng)及伽馬射線401
12.5高能射線在物質(zhì)中的傳輸402
12.5.1重帶電粒子的傳輸402
12.5.2電子束的傳輸404
12.5.3正電子的傳輸405
12.5.4伽馬射線的傳輸406
12.5.5中子的傳輸410
12.6激光射線束傳輸中的集體效應(yīng)411
12.6.1阿爾法電流極限411
12.6.2電子熱傳導(dǎo)411
12.6.3超熱電子在等離子體中傳輸?shù)募w效應(yīng)413
12.6.4超熱電子傳輸?shù)牟环�(wěn)定性和反常制動414
12.7激光驅(qū)動放射性治療414
12.7.1射線劑量414
12.7.2電子束和伽馬刀放療415
12.7.3質(zhì)子束放療415
12.8激光驅(qū)動射線束的成像417
12.8.1激光質(zhì)子束成像417
12.8.2激光驅(qū)動伽馬射線成像418
12.8.3其他激光射線束的成像419
12.9激光射線束的其他應(yīng)用419
12.9.1單粒子效應(yīng)419
12.9.2繆子的應(yīng)用419
12.9.3質(zhì)子束誘導(dǎo)X射線熒光分析419
附錄420
參考書目427
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