上海交大高阶多光子汤姆逊散射研究取得突破学术资讯

来源：上海交通大学

光子与电子的弹性散射被称为汤姆逊散射，是经典电动力学的一个基础问题，也是我们能够看到五彩缤纷的现实世界的物理基础。线性或低阶非线性汤姆逊散射在近一个多世纪里得到了充分研究，广泛应用于高频辐射源产生及高温高密物质的状态测量。然而，由于受限于超强激光场及高时空同步技术的获得，高阶非线性汤姆逊散射一直还停留在理论研究阶段。直到最近超短超强激光技术及激光尾波加速的快速发展，实验室研究高阶多光子非线性汤姆逊散射才成为可能。

上海交通大学物理与天文学院陈民特别研究员及其指导的博士研究生罗辑与美国内布拉斯加林肯大学Donald Umstadter教授、闫文超博士等人合作，开展了高阶全光非线性汤姆逊散射的实验和理论研究，取得了重要突破，首次实验观察到了高达500个光子同时与单电子的汤姆逊散射现象，得到了能量超过20 MeV的伽马光子辐射。实验工作在内布拉斯加大学开展，理论模拟工作在上海交通大学开展。

实验中他们利用一束强度为1019W/cm2的驱动激光通过尾波加速，在4毫米长度内把电子加速到360 MeV，而后该电子束与另一强度高达3×1020W/cm2的激光束在飞秒及微米级时空尺度内实现同步对撞，发生高阶非线性汤姆逊散射。理论上他们通过自主开发的经典和量子辐射并行计算程序VDSR，通过数值模拟研究了电子束斑及激光强度分布效应，成功解释了实验测得的远场辐射菱形分布；理论模拟再现了测量频谱，给出了临界辐射频率。在实验可测量范围内，散射光子能量可以高达20 MeV，该数据表明，发生了单个电子与500个红外光子的同时散射，比已有的非线性汤姆逊散射实验（n<10）几乎高出两个数量级；理论模拟研究表明，实际过程可能发生了高达1300个光子与电子的同时散射。这些实验与理论模拟结果，不仅为已有的单电子非线性汤姆逊散射理论提供了实验检验，也给出了电子束与超强激光束散射的新特征，为将来阿秒高能伽马射线源研究，及相关天体物理研究，如喷流X射线产生、超新星遗迹、恒星星云等离子体加热，光核物理等提供了基础。

该工作于6月26日以长文Article的形式在Nature Photonics上在线发表。这也是该实验室最近继高品质激光尾波加速PRL,114,084801(2015)，等离子体尾波光调制器Nat.Commun,7,11893(2016)，新型等离子体波荡器辐射LSA,5,e16015(2016)等工作之后，在激光等离子体尾波加速及辐射领域取得的又一个重要成果。研究工作得到了国家自然科学基金创新群体项目和面上项目的支持，数值模拟在上海交通大学高性能计算中心的超级计算机P上完成。

论文链接：http://www.nature.com/nphoton/journal/vaop/ncurrent/full/nphoton.2017.100.html

作者：陈民

供稿单位：物理与天文学院

来源：上海交通大学

原文链接：https://news.sjtu.edu.cn//jdzh/20180405/51519.html

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