第一章緒論

1.1激光物理的發(fā)展
激光發(fā)明的理論基礎(chǔ)要追溯到上世紀(jì)初。1917年，德國(guó)物理學(xué)家Albert Einstein在量子理論的基礎(chǔ)上提出了一個(gè)薪新而又重要的概念，即在物質(zhì)與福射場(chǎng)的相互作用中，構(gòu)成該物質(zhì)的原子或分子可在光子的激勵(lì)下產(chǎn)生光子的受激發(fā)射或吸收，并在該工作中預(yù)言了受激輻射的存在，這正是激光發(fā)明的理論基礎(chǔ)。20世紀(jì)50年代，美國(guó)科學(xué)家Charles H. Townes、前蘇聯(lián)科學(xué)家Nikolai G.Basov和AleksanderM. Prokhorov提出了利用受激輻射放大電磁波的概念。1958年，Townes和Arthur L. Schawlow又提出利用開(kāi)放式光諧振腔來(lái)實(shí)現(xiàn)激光器的思想。1960年7月，世界上第一臺(tái)紅寶石激光器[1]由Theodore H. Maiman研制出，這一發(fā)明實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的重大突破，激光以其特有的性質(zhì)——單色性、方向性和相干性，被廣泛應(yīng)用于科學(xué)、軍事、醫(yī)學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域。因激光技術(shù)的創(chuàng)造性貢獻(xiàn)先后有9位科學(xué)家獲得諾貝爾獎(jiǎng)，，盡管1964年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)沒(méi)有授予發(fā)明第一臺(tái)激光器的Maiman，而是授予了之前提出激光器原理與設(shè)計(jì)方案的美國(guó)物理學(xué)家Townes和前蘇聯(lián)的兩位物理學(xué)家，但Maiman仍獲得兩次諾貝爾獎(jiǎng)提名。為控制和改善激光器輸出光的時(shí)間或者空間相干性，上世紀(jì)60年代先后發(fā)展了調(diào)Q、鎖模、增益開(kāi)關(guān)等技術(shù)，從而可以獲得窄脈沖高峰值功率的激光束。從而使脈沖長(zhǎng)度由自由運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的^15 (10-6s)達(dá)到ns (10-^s)的量級(jí)，輸出功率也由近KW(103W)提高到GW(109W)，激光器的輸出光強(qiáng)提高了 6個(gè)數(shù)量級(jí)。70年代起，科學(xué)家們做了很多努力試圖既保持激光器的輸出能量又能壓縮脈沖長(zhǎng)度從而提高輸出光強(qiáng)。但是由于激光介質(zhì)具有損傷閾值的局限性，因此限制了進(jìn)一步提高輸出光強(qiáng)，只能一直徘徊在10i2W/cm2左右。
…………

1.2強(qiáng)場(chǎng)物理的研究領(lǐng)域
強(qiáng)場(chǎng)物理是目前國(guó)際前沿發(fā)展十分迅速的一個(gè)領(lǐng)域[12,13]，CPA的技術(shù)發(fā)明帶給激光技術(shù)一場(chǎng)革命，同時(shí)也極大推動(dòng)了強(qiáng)場(chǎng)物理的迅速發(fā)展。目前激光的聚焦光強(qiáng)最強(qiáng)可以高達(dá)1022W/cm2，此種強(qiáng)度的激光所能產(chǎn)生的電場(chǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)氫原子基態(tài)束縛的電子所感受的電場(chǎng)（氫原子第一玻爾軌道附近的電場(chǎng)強(qiáng)度）。這樣便可以操控物質(zhì)中電子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)而改變物質(zhì)的性質(zhì)或狀態(tài)，近年來(lái)，隨著高功率激光器和短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展，可以在單位時(shí)間和空間內(nèi)獲得極高的能量密度，可以用以模擬許多極端物理?xiàng)l件如天體物理、核爆等。而高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人們可以進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)值模擬計(jì)算，為理論分析提供了有力的工具。強(qiáng)場(chǎng)物理涉及X射線波段高次諧波的產(chǎn)生、高Z元素的快速電離、粒子加速、高能X射線源、實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)、慣性約束聚變、X射線激光、奇異物理學(xué)（如真空物理、Unruh轄射、QCD物理）等方面，并且其研究的領(lǐng)域不斷地深入和拓寬，下面介紹一下強(qiáng)場(chǎng)物理的幾個(gè)主要研究方面。強(qiáng)場(chǎng)和原子分子（或離子、團(tuán)簇）的相互作用。強(qiáng)場(chǎng)所涉及的激光強(qiáng)度基本可以和這里電子所受到的靜電場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)甚至更高,因此產(chǎn)生了許多非微擾強(qiáng)場(chǎng)效應(yīng)，如險(xiǎn)道電離，閾上電離（ATI)、多光子電離以及高次諧波的產(chǎn)生等[14，15]，另一方面，相對(duì)論效應(yīng)也顯現(xiàn)出來(lái)，比如在不考慮偶極近似下，洛倫茲力的影響就表現(xiàn)出來(lái)，高次諧波產(chǎn)生過(guò)程中電子和母核的復(fù)合幾率會(huì)降低[16]等，在該理論研究方向上，KFR理論成功地解釋了閾上電離的譜線特征[17]。1989年GAC理論[18]的提出很好地解釋了 Bucksbaum等人實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的駐波場(chǎng)中光電子角分布的大角度分裂現(xiàn)象。
………..

第二章強(qiáng)激光場(chǎng)中正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生

2.1引言
1997年斯坦福大學(xué)的D. Burke完成了兩個(gè)非常重要實(shí)驗(yàn)工作[43]—是實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了四階非線性康普頓效應(yīng)，一是通過(guò)強(qiáng)激光場(chǎng)與電子相互作用產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)。到目前為止，該實(shí)驗(yàn)是通過(guò)自由電子產(chǎn)生高次諧波的最高次，也是唯——個(gè)通過(guò)純粹的電磁相互作用來(lái)產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的實(shí)驗(yàn)。而早期的實(shí)驗(yàn)通過(guò)重離子碰撞產(chǎn)生過(guò)正負(fù)電子對(duì)[74，75]。該實(shí)驗(yàn)工作更大的意義在于揭示了在強(qiáng)激光場(chǎng)與自由電子相互作用過(guò)程中需要考慮量子效應(yīng)。強(qiáng)場(chǎng)QED (Quantum Electrodynamics)是一個(gè)非常大的研究領(lǐng)域，量子電動(dòng)力學(xué)（QED)已在許多不同的條件下被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。尤其對(duì)原子物理上的理論預(yù)言與實(shí)驗(yàn)符合得很好。比如電子的反常磁矩和蘭姆位移都與量子電動(dòng)力學(xué)的理論預(yù)言非常吻合。QED的理論結(jié)果幾乎得到了實(shí)驗(yàn)的全部驗(yàn)證，但仍有一個(gè)未得到驗(yàn)證——Schwinger機(jī)制，即當(dāng)真空中的靜電場(chǎng)E達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，真空可產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)。由于所要求的電場(chǎng)強(qiáng)度的閾值非常高，所以這一理論機(jī)制從實(shí)驗(yàn)上是很難驗(yàn)證的。為了在實(shí)驗(yàn)上對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行進(jìn)一步的研究，人們開(kāi)始考慮研究動(dòng)力學(xué)Schwinger效應(yīng)（Dynamic Schwinger Mechanism)=這個(gè)主要是基于含時(shí)的強(qiáng)場(chǎng)條件下進(jìn)行研究的，在含時(shí)間的強(qiáng)場(chǎng)下產(chǎn)生真空極化會(huì)有各種條件，我們希望通過(guò)研究得到強(qiáng)場(chǎng)下真空極化的一些基本規(guī)律。
………..

2.2 Dirac真空模型
根據(jù)Pauli不相容原理，兩個(gè)電子不能同時(shí)占據(jù)同一個(gè)能態(tài)，所以電子從正能態(tài)躍遷到負(fù)能態(tài)是被禁戒的。這樣的一個(gè)僅被電子占據(jù)所有負(fù)能態(tài)的真空背景，是一個(gè)完全均勻不表現(xiàn)任何的粒子特性。對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)正是一般所說(shuō)的電磁真空態(tài)。僅當(dāng)正能級(jí)上有粒子占據(jù)，或者某個(gè)負(fù)能級(jí)上沒(méi)有粒子占據(jù)的狀態(tài)，才是可觀測(cè)的物理狀態(tài)。當(dāng)對(duì)這樣一個(gè)均勻的真空背景施加擾動(dòng)，在足夠強(qiáng)的外電場(chǎng)的作用下，真空就不再穩(wěn)定。若能使真空中負(fù)能級(jí)上的電子獲得足夠大的能量,該電子就可以由負(fù)能態(tài)被激發(fā)到正能態(tài)上，此時(shí)的這個(gè)電子就是可觀測(cè)的一個(gè)普通電子，同時(shí)在真空中由于少了一個(gè)電子而成為一個(gè)電子的“空穴”，這個(gè)空穴表現(xiàn)為一個(gè)帶正電的粒子，習(xí)慣將它稱之為正電子。這樣一個(gè)過(guò)程可以等效地看做是由真空中提取了一個(gè)電子和一個(gè)正電子，這就是真空產(chǎn)生正負(fù)電子對(duì)的效應(yīng)。
……….

第三章強(qiáng)激光場(chǎng)下電子波包演化特性研究......... 37
3.1 引言......... 37
3. 2 SoiRdDlNGER方程的近似解......... 38
3.3 DIRAC方程的平面波解（V0LK0V解）......... 40
3.4強(qiáng)場(chǎng)下電子波包演化的量子處理方法......... 43
3.5電子波包演化的經(jīng)典系綜描述......... 44
3. 6平面波外場(chǎng)下電子波包演化規(guī)律......... 46
3.7本章小結(jié).........53
第四章總結(jié)......... 55
4.1論文總結(jié)......... 55
4.2 展望......... 55

第三章強(qiáng)激光場(chǎng)下電子波包演化特性研究

3.1引言
電子和激光場(chǎng)相互作用的研究課題隨著激光技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步迎來(lái)新的機(jī)遇。經(jīng)典框架下研究的電子在均勻平面波場(chǎng)和緊聚焦激光光束中的動(dòng)力學(xué)特性就有著十分明顯的差異[42]。這種差異在量子電動(dòng)力學(xué)中將如何體現(xiàn)以及有怎樣的特性，這方面的工作并不是很多。電子波包在激光場(chǎng)中的動(dòng)力學(xué)演化特性對(duì)于電子在激光場(chǎng)中的輸運(yùn)或者加速以及對(duì)波包的操控都有著十分重要的意義。然而這一問(wèn)題的探究方法主要有兩類，一類是對(duì)激光場(chǎng)采用經(jīng)典表達(dá)式，同時(shí)將電子看做量子波包的半經(jīng)典方法；另一類則是經(jīng)典系綜的數(shù)值方法對(duì)電子波包的演化進(jìn)行模擬。前者要對(duì)量子波包進(jìn)行精確地解析推導(dǎo)，求解過(guò)程比較復(fù)雜，而后者由于運(yùn)算量相對(duì)小很多，操作較便捷，但是需要在一定的適用條件下才能更為方便使用。在非相對(duì)論的情況下，自由電子與激光場(chǎng)的相互作用在經(jīng)典力學(xué)里是通過(guò)洛倫茲方程描述的，其量子力學(xué)特性則是通過(guò)SchrSdinger方程來(lái)描述。然而強(qiáng)激光束與自由電子相互作用在相對(duì)論論力學(xué)中是通過(guò)洛倫茲方程（相對(duì)論形式）描述的，而在相對(duì)論量子力學(xué)中則是通過(guò)Dirac方程來(lái)進(jìn)行描述。從理論角度來(lái)看，Dirac方程的內(nèi)在復(fù)雜性使得在相對(duì)論情況下外場(chǎng)與物質(zhì)相互作用的研究更具挑戰(zhàn)性，數(shù)值求解2D Dirac方程還是有一些嘗試性工作[83，84]，然而，對(duì)于更實(shí)際的問(wèn)題的研究中，激光激發(fā)的時(shí)間尺度不一致以及向負(fù)能級(jí)過(guò)渡等計(jì)算問(wèn)題已超出計(jì)算機(jī)現(xiàn)有的計(jì)算能力。

總結(jié)

本論文主要研究了強(qiáng)激光場(chǎng)下正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生和電子波包演化的動(dòng)力學(xué)特性。強(qiáng)場(chǎng)下正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生工作主要是通過(guò)對(duì)孤子形脈沖場(chǎng)下正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生特點(diǎn)和條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)場(chǎng)條件下要實(shí)現(xiàn)正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生至少需要滿足兩個(gè)閾值條件，一個(gè)是大家熟知的電場(chǎng)強(qiáng)度必須大于Schwinger臨界場(chǎng)強(qiáng)，以保證能量守恒的實(shí)現(xiàn)；另一個(gè)矢勢(shì)必須提供足夠大的電子躍遷動(dòng)量。另外我們還對(duì)其他含時(shí)電場(chǎng)下正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生概率情況進(jìn)行了研究。研究表明，脈沖的形狀因子、脈沖的嗎啾情況對(duì)正負(fù)電子對(duì)的產(chǎn)生都有影響。在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，我們可以通過(guò)優(yōu)化這些參數(shù)得到正對(duì)電子對(duì)的最大產(chǎn)額。對(duì)強(qiáng)激光場(chǎng)下電子波包演化的動(dòng)力學(xué)特性我們發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)外場(chǎng)作用下，Lorentz力的作用變得重要，外場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)越大這個(gè)力的效果越明顯，電子波包表現(xiàn)出在電場(chǎng)傳播方向上的漂移；另外波包在激光場(chǎng)的周期作用下的運(yùn)動(dòng)也是周期變化的，但是波包的周期要短于激光場(chǎng)的周期；當(dāng)波包大小跟激光場(chǎng)的大小相當(dāng)時(shí)，則波包的整體發(fā)生“扭動(dòng)”，因?yàn)樵谕粫r(shí)刻，波包的不同部分受到激光場(chǎng)不同相位的影響導(dǎo)致的。最后我們給出強(qiáng)場(chǎng)下電子波包演化的參數(shù)分布，大致對(duì)波包的演化規(guī)律和特性分類。這里考慮的參數(shù)是波包的大小與激光場(chǎng)的波長(zhǎng)大小。
…………
參考文獻(xiàn)（略）