Лазерная генерация ускоренных частиц и коротковолнового излучения с использованием диэлектрических капилляров

• Автор: Мальков, Юрий Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 121 с. : ил.

Структура диссертации

Введение'
1. Экспериментальна установка. Фемтосекундный лазерный комплекс тераваттного уровня

1.1 Блок-схема фемтосекундного лазерного комплекса

1.1.1 Задающий генератор

1.1.2 Оффнеровский стретчер

1.1.3 Развязка Фарадея

1.1.4 Регенеративный усилитель и очиститель импульсов

1.1.5 Схема синхронизации лазерной системы

1.1.6 Усилители мощности

1.1.7 Компрессор фемтосекундных импульсов

1.2 Характеристики выходного пучка
2 Ускорение электронов плазменной волной в газонаполненном капилляре
2.1 Оценка амплитуды плазменной волны генерируемым тераваттным лазерным импульсом
2.1.1 Описание эксперимента
2.1.2 Теоретическая модель и обсуждение полученных
результатов
2.2 Разработка источника затравки быстрых электронов
2.2.1 Описание эксперимента
2.2.2 Экспериментальные результаты
2.2.3 Численное моделирование и выводы
3 Генерация высоких гармоник в газонаполненном капилляре
3.1 Описание эксперимента
3.2 Экспериментальные результаты
3.3 Обсуждение и сравнение с численным моделированием
4. Ускорение ионов в капилляре
4.1 Экспериментальная схема
4.2 Абсолютная калибровка детектора
4.3 Экспериментальные результаты
4.4 Обсуждение результатов
Заключение
Литература

Введение
Генерация электронов, протонов, ионов и фотонов высоких энергий является одним из основных применений крупных лазерных систем тераваттного и петаваттного уровня мощностей. Несмотря на то, что первые эксперименты по ускорению частиц были проведены еще в начале 60х годов, долгое время лазерные технологии не позволяли получать частицы с уровнем энергии более одного мегаэлетронвольта. Начиная с середины 90х годов начался новый виток развития области, связанный с разработкой мощных фемтосекундных лазеров на основе усиления чирпированных импульсов. К настоящему моменту было продемонстрировано: ускорение электронов до энергий
несколько ГэВ [1, 2], высокоэффективное ускорение протонов до энергий порядка 100 МэВ [3], ионов с энергией до 1 ГэВ [4], генерация электромагнитного излучения в широком спектре от вакуумного ультрафиолета до конца мягкого рентгеновского диапазона на основе генерации высоких гармоник [5]. Работы по этим направлениям активно продолжаются.
Наиболее развитыми схемами ускорения заряженных частиц на данный момент являются методы, основанные на ускорении электрическим полем, возникающем в результате пространственного разделения ионов и электронов в плазме. При взаимодействии мощного лазерного импульса (интенсивностью порядка 10,б-1021 Вт/см2) с веществом образуется плазма и на начальном этапе ускоряются электроны, которые, за счет смещения относительно практически неподвижных ионов, создают разность электрических потенциалов и, соответственно, электрическое поле, обеспечивающее ускорение заряженных частиц (см. рис. 1). В частности, на этом принципе основано лазерное ускорение электронов плазменной

составила 1Утах = 380 мДж или примерно 25-30% от использованной в этих экспериментах энергии в импульсе накачки.
Четырехпроходовый усилитель отличался высокой стабильностью и не требовал ежедневной настройки, однако в оконечном усилителе, за счет большего размера пучка и большей трассы требовалась ежедневная подстройка. На подготовительном этапе производилась предварительная настройка. На схеме рис. 1.1.4 отмечены два зеркала, которые использовались для совмещения усиливаемого чирпируемого лазерного излучения с двумя опорными лазерами. При помощи опорного лазера 1 производилась настройка прохождения трех проходов через диафрагму установленную по центру кристалла титан-сапфира. При помощи последнего зеркала, опорный лазер 1 совмещался на последующем зеркале с опорным лазером 2. После этого диафрагму убирали, и с первым проходом опорного лазера производилось совмещение пучков лазера накачки (который на этапе настройки работал в режиме свободной генерации без модуляции добротности, генерируя порядка 1 мДж энергии во второй гармонике). При включении лазера и после прогрева, усиливаемый чирпированный импульс совмещался на зеркале с опорным лазером 1 и, поворачивая это зеркало, совмещался с опорным лазером 2 на выходе из усилителя. Настройка опорных лазеров оставалась актуальной в течение нескольких недель, что существенно упрощало процесс каждодневной подстройки лазера.
1.1.7 Компрессор фемтосекундных импульсов
После усиления в оконечном каскаде лазерные импульсы поступали в расширяющий галилеевский телескоп, увеличивающий диаметр пучка до значения Ах 23 мм, что необходимо для безопасной работы последней части лазерного комплекса - компрессора фемтосекундных