Генерация быстрых электронов и аттосекундных импульсов коротковолнового излучения при взаимодействии сверхинтенсивного лазерного излучения с наноструктурированными мишенями и тонкими пленками

• Автор: Михайлова, Юлия Михайловна
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 118 с. : ил.

ГЛАВА 1. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ. МЕТОД ЧАСТИЦ В ЯЧЕЙКАХ

1 1 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ

1.1 1. Методы компьютерного моделирования взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов с
плазмой

1 1 2 Метод частиц в ячейках

1.1 2 а Основные принципы метода частиц в ячейках. Постановка задачи

1.12 6 Метод Р1С как метод конечных элементов для решения кинетического уравнения

1 1 2 в Столкновения частиц в методе Р1С

12. Численная реализация модели Р1С

1.2 1 Безразмерная система единиц Выбор начальных значений

12 1а Выбор начальных значений, параметров сетки и квазичастиц ..

1 2 2 Численный метод решения уравнений Максвелла
12 2а Конечно-разностная схема расчета уравнений Максвелла
1 226 Граничные условия для уравнений Максвелла
1 2 3 Численный метод решения уравнений движения квазичастиц
12 4 Расчет зарядов и токов Интерполяция полей
12 4а Раздача зарядов по узлам эйлеровой сетки
1.2 4 б Интерполяция полей в места локализации частиц
1 2 5. Моделирование столкновений частиц
13 Обсуждение достоверности результатов моделирования
13.1. Движение свободного электрона в поле плоской электромагнитной волны
1 3 2 Затухание электромагнитного поля в скин-слое
1 3 3 Проверка адекватности моделирования столкновений отражение света от однородной столкновительной плазмы . ... ...
ГЛАВА 2. ГЕНЕРАЦИЯ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ПЛОТНЫХ СРЕД ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ
2 1 Формирование и нагрев плотной плазмы фемтосекундным лазерным импульсом
2 1 1 Формирование плотной приповерхностной плазмы
2 1 2 Механизмы поглощения энергии короткого лазерного импульса в плотной плазме с резким профилем плотности
2 2. Постановка задачи и описание численной модели
2.2 1. Модель лазерного пучка
2 3 Пространственные распределения электронов, генерируемых в приповерхностной плотной
плазме под воздействием фемтосекундных импульсов
2 4 Влияние жесткой фокусировки пучка на генерацию быстрых электронов

2 5 Поглощение энергии релятивистских импульсов в области двухфотонного резонанса 5
Основные результаты второй главы
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ НАНОМАСШТАБНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАГРЕВА ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛАЗМЫ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ СВЕТОВЫМИ ИМПУЛЬСАМИ...
31 Постановка задачи и описание численной модели
3 2 Увеличение эффективности поглощения света в высокотемпературной плотной плазме за счет модификации поверхностного слоя твердотельной МИШЕНИ
3 3 Механизмы разогрева электронов в плазме с наномасштабными неоднородностями в СУБРЕПЯТИВИСТСКОМ РЕЖИМЕ
Основные результаты третьей главы
ГЛАВА 4. ГЕНЕРАЦИЯ АТТОСЕКУНДНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СВЕРХКОРОТКИМ РЕЛЯТИВИСТСКИМ ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ НА ТОНКУЮ ПЛЕНКУ
4.1. Постановка задачи и описание численной модели
4 2. Генерация одиночного аи в тонкой пленке в плосковолновой геометрии
4 2.1. Генерация одиночного АИ в отраженном свете
4 2 2 Генерация одиночного АИ в прошедшем свете
4 2 3 Зависимость параметров АИ, получаемого в прошедшем свете, от интенсивности света и толщины пленки
4 3. Генерация одиночного АИ в режиме жесткой фокусировки лазерного пучка
Основные результаты четвертой главы
ВЫВОДЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Развитие и применение метода частиц в ячейках в моделировании лазерной
плазмы ...
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Безразмерная система величин
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Конечно-разностные аналоги уравнений Максвелла в одномерном и двумерном
случаях
ПЗ 1. Конечно-разностные аналоги уравнений Максвелла в двумерном случае. .
ПЗ 2. Конечно-разностные аналоги одномерных уравнений Максвелла
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Поглощающие граничные условия для уравнений Максвелла
П4 1. Локальные поглощающие граничные условия в дифференциальной форме
П4 2 Локальные поглощающие граничные условия в конечных разностях
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ

Актуальность темы
Одним из наиболее значительных достижений современной оптики безусловно является внедрение в экспериментальную практику компактных лазерных систем, позволяющих получать сверхкороткие световые импульсы с интенсивностями более 1018Вт/см2 [1]. На основе концепции параметрического усиления чирпированных импульсов в настоящее время получены лазерные импульсы с рекордньми значениями мощности (до десятков тераватт [2,3]) при рекордно высоком значении контраста импульса (5-1011 по интенсивности [4]) и ультракороткой длительности, включающей только несколько оптических колебаний [2]. Развитые технологии достижения высокого пространственного качества лазерного пучка с помощью деформируемых зеркал позволяют фокусировать мощное излучение в пятно диаметром несколько микрон и обеспечивают, таким образом, интенсивности порядка 1022Вт/см2 [5]. Для характеристики интенсивности сверхсильного лазерного излучения удобно использовать безразмерный параметр а = еЕ/тт0, где е,т - заряд и масса электрона, Е, щ - амплитуда
электрического поля световой волны и несущая частота, с - скорость света. При этом интенсивность светового поля можно выразить как 1=а21рел, где 1рел = с/8л-(тсюо/е)2 ~ 1.37'1018,(Цмкм])"2 Вт/см2 - релятивистская интенсивность. При этой интенсивности амплитудное значение кинетической энергии электрона, который до взаимодействия с лазерным полем был неподвижен, достигает значения тс212. Развитие техники генерации высокоинтенсивных лазерных импульсов сделало возможньм проведение лабораторных экспериментов по взаимодействию излучения с веществом в субрепятивистском (а порядка 0.1) и релятивистском (а порядка и более 1) режимах. Передовые лазерные технологии позволяют надеяться на скорое осуществление подобных экспериментов в ультрарелятивистском (а »1) режиме.
Взаимодействие мощных сверхкоротких лазерных импульсов с плазмой, формирующейся на поверхности конденсированных мишеней, является в настоящее время предметом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований, направленных на изучение свойств вещества в экстремальном состоянии и создание эффективных компактных источников высокоэнергетичных - быстрых - частиц и сверхкоротких рентгеновских импульсов. Взаимодействие интенсивного ультракороткого

Е(і,г,у) = Е(і,я)-ехр
(2.1)
Ширина пучка характеризуется его радиусом сі.
Сверхкороткий импульс содержит очень широкий спектр частот, поэтому задание его пространственной структуры в виде (2.1) некорректно. Кроме того, в этом случае сложно вычислить продольную составляющую поля в пучке.
Представим световое поле в виде суперпозиции полей гауссовых пучков, соответствующих частотам спектра лазерного импульса:
я0 =71 с12/Х, 2г0 - конфокальный параметр гауссова пучка, я - координата вдоль оси пучка, у - расстояние от оси пучка. Пучки є (со,;, у, г) имеют одинаковые волновые фронты и длины перетяжек, равные 2я0 Радиус перетяжки спектральной компоненты на частоте со пропорционален соответствующей длине волны Цю).
В качестве спектральной функции 5(ю) выберем
где ©(ю-юО - функция Хевисайда. При этом максимум 5(со) находится в точке
Здесь 5(со) - спектр поля, е(с£>,с,у, я) - нормированное поле гауссова пучка с частотой со,
5(ю) = (ш-ю,)" ехр —— -©(ю-со,),

(2.4)
сош =ю,+6-и, несущая частота импульса ю0 =ы,(1 + 8-н). В данной работе использовалось значение л=5.
О 05 і 15
Рис. 2.1. Форма спектра, описываемого формулой (2.4).