An isolated ultra-short γ-ray pulse is a unique tool for measuring ultrafast-physics processes, such as imaging intra-nuclear dynamics and inner-shell electron dynamics. Here, we propose an all-optical efficient scheme for generating isolated ultra-short γ-ray pulse from a laser-driven nanofoil. When a few-cycle circularly polarized laser pulse with an intensity of 1022 W cm−2 irradiates a nanofoil, the electrons in the nanofoil are pushed forwards collectively, forming a single relativistic electron sheet (RES) with a charge of nC. The electrons are substantially accelerated to high energies by the super-ponderomotive force of the laser. Then, a counter-propagating laser pulse with a peak intensity of 1021 W cm−2 collides with the RES, resulting in the generation of an isolated sub-femtosecond γ-ray pulse via nonlinear Compton scattering. The effect of laser polarization on the polarization degree of γ-rays is investigated by using a proof-of-principle calculation. It is shown that a highly polarized isolated γ-ray pulse with a cut-off energy of 100 MeV can eventually be generated in a head-on collision configuration when the scattering laser is linearly polarized. Such an isolated ultra-short polarized γ-ray source would provide critical applications in high-energy physics, laboratory astrophysics and nuclear physics.
孤立した超短パルスγ線は、核内ダイナミクスや内殻電子ダイナミクスのイメージングなど、超高速物理過程を測定するための独自のツールである。本稿では、レーザー駆動ナノフォイルから孤立した超短パルスγ線を生成するための、全光学的で効率的なスキームを提案する。強度1022 W cm−2の数周期円偏光レーザーパルスがナノフォイルを照射すると、フォイル内の電子は集団的に前方へ押し出され、電荷がnCオーダーの単一の相対論的電子シート(RES)を形成する。この電子シートは、レーザーの超ポンデロモーティブ力によって高エネルギーまで大幅に加速される。その後、ピーク強度1021 W cm−2の対向伝搬レーザーパルスがこのRESと衝突することで、非線形コンプトン散乱により、カットオフエネルギーが100 MeVに達する、高度に偏極した孤立したサブフェムト秒γ線パルスが生成される。原理実証計算を通じて、レーザー偏光がγ線の偏極度に及ぼす影響を調査した。その結果、散乱レーザーが線偏光の場合、正面衝突配置において、高度に偏極した孤立超短パルスγ線源が実現可能であることが示された。このような孤立した超短パルス偏極γ線源は、高エネルギー物理学、実験室天体物理学、核物理学において重要な応用をもたらすであろう。