Распространение лазерных импульсов тераваттной мощности в заранее сформированных плазменных каналах

• Автор: Никитин, Сергей Петрович
• Шифр специальности: 01.00.00
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1998
• Место защиты: Колледж Парк Итай Мэриленд
• Количество страниц: 156 с. : ил.

© Авторские права защищены Сергей Петрович Никитин
АБСТРАКТ
Название диссертации: РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ ТЕРАВАТТНОЙ МОЩНОСТИ В ЗАРАНЕЕ СФОРМИРОВАННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ КАНАЛАХ.
Сергей Петрович Никитин, Доктор Философии, 1998
Научный руководитель: Профессор Говард М. Милчберг
Институт Физических Наук и Технологий
Выполнены эксперименты по распространению импульсов высокой интенсивности и длительностью менее 100 фс в волноводном режиме в заранее сформированных плазменных каналах. Плазменные каналы формировались в результате гидродинамического расширения искры, возникающей в нейтральном газе при фокусировке туда аксиконом более продолжительного лазерного импульса длительностью 100 пс. Такие каналы длиной ~ 1-1,5 см служили волноводом для импульса высокой интенсивности длительностью 100 фс. Лазеры, используемые для формирования волновода и генерации фемтосекундного импульса, были синхронизованы друг с другом с точностью лучше 100 пс, этот временной интервал короче, чем самое быстрое время -100 пс, характеризующее гидродинамическое расширение канала.
При интенсивностях в канале 5x1015 Вт/см2, была достигнута пропускная энергетическая эффективность 30 % в основной моде волновода, ограниченная ионизационной рефракцией вводимого пучка еще до входа в канал. Вынужденная ионизацией рефракция деформирует как огибающую интенсивности, так и фазу
импульса и была подробно изучена, используя диагностику FROG (Frequency Resolved Optical Gating). Экспериментальные результаты находятся в хорошем качественном согласии с результатами численного моделирования.
Эффекты, вынужденные ионизацией на входе в плазменный канал, были значительно ослаблены при формировании плазменного канала в удлиненной газовой струе, а не в газовом объеме. При этом для импульса энергии 50 мДж и длительности 110 фс была получена эффективность ввода 52 % в канал длиной
1,5 см, сформированный в струе нейтрального аргона при высокой частоте повторения, что соответствует интенсивности внутри канала до -7x1016 Вт/см2.
Теневые картины ввода импульсов в канал показывают, что даже в случае полного перекрытия газовой струи линейным фокусом аксикона у входа в волновод после формирования канала имеется -0,5 мм не до конца ионизированного газа. Это обусловлено резким снижением плотности газа на границах струи, что приводит к менее эффективному нагреву и ионизации этих участков импульсом, формирующим волновод. При коротких временах задержки, остатки нейтрального газа приводят к сокращению длительности импульса из-за эффектов связанных с ионизацией, однако эти эффекты можно ослабить, предварительно инжектируя в канал вспомогательный импульс.
Полученные здесь экспериментальные результаты демонстрируют, что плазменные каналы являются многообещающим средством для распространения импульсов высокой интенсивности в бездифракционном режиме, пригодным для лазерного ускорения элементарных частиц в плазме.

'Л = -еЕ = ?-
е сІА с сії

откуда, р = ту/л/ 1-у2І с2 « = —А0 соб(соґ) = /иса0 соз(й>/). Возведение в
квадрат, усреднение за оптический период, и перегруппировка выражения дает < у (а) >2=1 + а02 /2. (Для лазерного излучения поляризованного циркулярно этот результат немного другой, и равен < у{а) >2 = 1 + а02).
Для лазерных импульсов в случае малых релятивистских поправок {а «1) выражение (1.17) можно разложить в ряд
учитывающий релятивистские поправки к оптическому отклику электронов в плазме.
Теперь рассмотрим распространение лазерного луча в изотропной нелинейной среде, где показатель преломления п{1) = п0 +п21 зависит от интенсивности. В конкретном случае распространения лазерного импульса в плазме нелинейный показатель преломления равен
Такая нелинейность может привести луч лазера достаточно высокой интенсивности к самофокусировке и может также использоваться для распространения лазерного импульса в режиме самоканалирования. Лазерная интенсивность, требуемая для преобладания самофокусировки над дифракцией,
п(а2) = п0 + п21а] +
(1.18)
где п21 = -~—у- - эффективный нелинейный показатель преломления,
(1.19)