圖1. 2D模擬下各種密度下激光能量轉化為(wei) 1、10、20MeV光子的效率（板塊（b））。板塊（a）和（c）展示了ne=10nc,時間為(wei) 300fs以及ne=50nc,時間為(wei) 250fs時密度和電場的快照，能量超過10MeV的光子發射用紅色圈表示。這兩(liang) 種模擬中輻射能量的時間積分按照發射電子的縱向動量（（d）和（（f））以及相對於(yu) 激光原始傳(chuan) 播軸夾角（（e）和（g））的函數列出。

圖2. （a）2D通道模擬中300fs時磁場Bz以及電子密度的快照。（b）樣本電子軌跡（黑色），發射超過2MeV（黑圈），發射超過30MeV（白圈）的能量。背景的顏色表示了單個(ge) 盒子中發射的能量超過30MeV光子的個(ge) 數。

然而，這些優(you) 點的得到是以光子束的方向性為(wei) 代價(jia) 的。傳(chuan) 播在相對論透明區的激光束是不穩定的。當激光脈衝(chong) 偏離軸向（見圖1（a））時被脈衝(chong) 加速的高能電子也會(hui) 發生偏離。由於(yu) 這些電子主要沿著他們(men) 動量的方向發射光子，光子束的方向性變得不確定。

磁場（圖2（a））快照的對比揭示了電子電流產(chan) 生的強磁場的存在，在通道邊緣清晰可見。通道內(nei) 電子可產(chan) 生的最大磁場可以估算為(wei) ：

假定電子密度ne大致為(wei) 通道電子密度並且R為(wei) 通道半徑。這一表達式同時假定所有的電子都以相對論速度前向移動，事實上，一些電子相對於(yu) 通道軸線以一定的角度移動。雖然公式（2）最終過高估計了電子電流以及相應的磁場，但提供了一個(ge) 數量級估計，B=0.3B0，這與(yu) ~0.2 B0的模擬觀測值相當。其中B0≈2×106T，為(wei) 電磁波的磁場。因此我們(men) 可以得到兩(liang) 個(ge) 結論。第一，估算表明慢變的磁場是由通道內(nei) 的電子團產(chan) 生的。更重要的是等離子體(ti) 可以維持一個(ge) 與(yu) 激光脈衝(chong) 相當的磁場。

強的自生磁場在一定程度上增加了沿通道移動電子所感受到的磁場。重要的是由這一磁場施加的力沒有像在激光場中那樣被電場補償(chang) 掉。在a0=190時，電子響應時間相對論修正的結果離子的響應時間相當，因此阻礙了強橫向類靜電場的產(chan) 生。對典型的自生磁場B~0.2B0，可以得到η2≈4 × 10−3與(yu) 模擬中觀測到的結果相符。這就證實了通道內(nei) 增強的gamma射線發射直接與(yu) 強的自生磁場有關(guan) 。

綜上所述，研究發現既是是在以上激光強度下在一定密度區域內(nei) 準直的數MeV的光子束可以高效的產(chan) 生。再這一區域內(nei) ，在等離子體(ti) 內(nei) 驅動了準靜態MT量級的磁場：相對論透明，直接激光加速以及同步發射。與(yu) 以往文獻中的密度區域不同，等離子體(ti) 密度必須明顯的低於(yu) 相對論臨(lin) 界密度。激光脈衝(chong) 持續時間和等離子體(ti) 密度必須選擇恰當以使強磁場區域足夠的長能夠使前向運動的電子沿著通道多次反彈。對於(yu) PW級別的激光脈衝(chong) ，預先設計的靶材結構在與(yu) 激光相互作用時內(nei) 部的通道變為(wei) 相對論透明，這一通道可以控製光子束的方向性並且產(chan) 生數十TW定向的MeV光子。輻射光子的特性會(hui) 使一些在成像、醫學治療、同位素產(chan) 生以及核物理方麵的新奇應用的發展成為(wei) 可能。

　　摘譯自：D. J. Stark, Enhanced Multi-MeV Photon Emission by a Laser-Driven Electron Beam in a Self-Generated Magnetic Field. Physical review letters, 2016, 116: 185003.