Particle-in-cell (PIC) methods have a long history in the study of laser-plasma interactions. Early electromagnetic codes used the Yee staggered grid for field variables combined with a leapfrog EM-field update and the Boris algorithm for particle pushing. The general properties of such schemes are well documented. Modern PIC codes tend to add to these high-order shape functions for particles, Poisson preserving field updates, collisions, ionisation, a hybrid scheme for solid density and high-field QED effects. In addition to these physics packages, the increase in computing power now allows simulations with real mass ratios, full 3D dynamics and multi-speckle interaction. This paper presents a review of the core algorithms used in current laser-plasma specific PIC codes. Also reported are estimates of self-heating rates, convergence of collisional routines and test of ionisation models which are not readily available elsewhere. Having reviewed the status of PIC algorithms we present a summary of recent applications of such codes in laser-plasma physics, concentrating on SRS, short-pulse laser-solid interactions, fast-electron transport, and QED effects.
粒子インセル（PIC）法は、レーザーとプラズマの相互作用の研究において長い歴史を持つ。初期の電磁コードでは、場の変数にYeeのスタッガード格子を用い、電磁場の更新にはリープフロッグ法、粒子の推進にはBorisアルゴリズムを組み合わせていた。このようなスキームの一般的な特性はよく文書化されている。現代のPICコードは、これらに加えて、粒子に対する高次形状関数、ポアソン方程式を保存する場の更新、衝突、電離、固体密度に対するハイブリッドスキーム、高強度場におけるQED効果を組み込む傾向がある。これらの物理パッケージに加えて、計算能力の向上により、現在では実質量比、完全3次元ダイナミクス、マルチスポット干渉を伴うシミュレーションが可能となっている。本論文では、現在のレーザープラズマ特化型PICコードで使用される中核アルゴリズムのレビューを提示する。また、自己発熱率の推定、衝突ルーチンの収束性、電離モデルの検証についても報告するが、これらは他の文献では容易に入手できないものである。PICアルゴリズムの現状を概観した後、レーザープラズマ物理学におけるこれらのコードの最近の応用について、特にSRS、短パルスレーザーと固体の相互作用、高速電子輸送、QED効果に焦点を当てて要約を提示する。