評估相對論性雷射，形态描述其與等離子體的互相作用
引言：自從雷射被發明以來，峰值功率和聚焦能力一直在穩步提高。功率增加的技術突破是産生更短脈沖的新技術。
固态雷射使用啁啾脈沖放大CPA技術生成飛秒脈沖，将雷射脈沖在時間上拉伸，放大并重新壓縮。使用固态開關的氣體雷射已經産生了皮秒脈沖，先進的雷射系統現在具有多太瓦峰值功率，當通過自适應光學聚焦到微米尺寸時，可以産生電磁強度 I 1021 W cm−2。
這種強度可以創造出一種新穎的物質狀态，在電磁場強度超過 1011 V cm−1 的雷射場中，電子以相對論速度振蕩，相對論品質的變化超過電子靜止品質，電磁波的磁場也變得重要起來，電子的行為就像光波被整流一樣。
在這個強度範圍内，光的傳播取決于光強度，類似于傳統非線性光學中研究的非線性效應，自聚焦、自調制、諧波産生等現象。一個新的非線性光學領域，相對論電子的領域，已經開始出現。
緊湊型和超短脈沖雷射驅動的電子加速器和X射線源，更高強度I 1024 W cm−2的實體範圍内，質子也會以相對論的方式振動。在這個強相對論性的雷射-等離子體互相作用領域，會産生更豐富的核聚變和核裂變反應，對撞引起的π介子、μ子和中微子的生成。
有關相對論非線性光學、高強度雷射發展、雷射加速器和強雷射等離子體互相作用的過去，雷射光線已經聚焦到空間和時間的越來越小的區域，大大增加了雷射焦點處的峰值電場。在CPA的發展之前，光的能量以長時間脈沖形式産生，經過CPA後，脈沖持續時間顯著縮短。
最新的雷射技術改進是使用變形鏡，使得雷射能夠聚焦到與時間次元一樣小的空間次元，幾個雷射波長大小，這兩類根據所使用的靶材密度進行區分，在欠密度等離子體中，低強度雷射脈沖将穿過等離子體傳播，而在過密度等離子體中，它将被反射。
使用大氣密度的氣體射流作為靶材，在後一種情況下，使用固體密度的薄膜或厚塊。光強的增加，會遇到不同的實體現象。在低光強下，原子中的電子以與雷射本身相同的頻率線性振蕩ω = 2πc/λ = ck。
在更高的場強下，電子會從原子中剝離出來，氣體通過隧道電離或多光子電離而電離。當雷射場對電子eEr0在玻爾半徑r0上的作用距離接近庫侖結合能e2/r0，線性微擾理論不再适用。在更高的強度下，形成的等離子體中的電子将以接近光速的速度顫動。
相對論性電子品質将增加，洛倫茲運動方程中的v ×B力将變得重要。 F = d(γp) dt = eE + e v c × B 在相對論性區域中，電子的顫動動量 p0 超過 m0c，其中 m0 是電子靜止品質，c 是光速。設定尺度的參數是 a0，歸一化矢量勢，定義為 a0 = p0/m0c = eE/m0ωc，其中 e 是電子電荷，E 和 ω 分别是電場振幅和雷射光的頻率。
a0 = 0.85 × 10^-9 √I λ，其中 I 是雷射光的強度W cm^-2，λ 是雷射光的波長。當 a0 > 1，對于波長為1µm，強度約為10^18 W cm^-2的雷射，電子品質 me 開始與電子靜止品質相比發生顯著變化。，這個相對論區域早在20世紀70年代末就通過10µm波長和10^15 W cm^-2強度的大型CO2雷射器首次接觸到，對應 a0 > 0.3 。
對于低場強，方程的解是電子在與極化矢量平行的直線上以雷射頻率振蕩的運動。對于高場強，它被描述為在雷射傳播方向 kˆ 中的平均漂移，在一個随着漂移速度移動的參考系中，呈現出極化矢量和 k 定義的平面上的一個八字形。
漂移運動源自于 v ×B ∝ E2kˆ，場強的增加a^2_0 > 1，縱向漂移運動∝ a^2_0主導橫向運動∝ a^0，運動是周期性的，以這些八字形狀運動的電子應當輻射出互相諧波的光子，每個諧波都有獨特的角分布。
這被稱為非線性湯姆孫散射或相對論性湯姆孫散射，光被散射的電子最初是在一個定向的光束中，散射光會因為相對論多普勒效應而進一步上移，上移因子為 4γ^2，其中 γ 是與電子速度相關的相對論洛倫茲因子，對于加速到 30 MeV 的電子來說，這對應着 10,000 倍的上移。
1 eV 的光子可以上移至 10 keV，在更高的強度下，當雷射電場在一個康普頓波長λC ≡ h/mc的距離内做的功等于電子的靜止品質 m0c^2 時，将會發生從狄拉克海中産生正負電子對。所需的 E_0 值為 6 × 10^15 V cm^-1，相應的 I = 5 × 10^28 W cm^-2。
結語：稍低的場強下顯著數量的正負電子對，E_0 大約為 10^14 V cm^-1 。諧波産生和相對論多普勒效應可以将從高能電子束上康普頓散射的雷射的可見光輻射頻率，上移至光譜中的 X 射線區域。
