Ультрарелятивистские эффекты в задачах ускорения заряженных частиц и генерации рентгеновского и гамма-излучения при взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с плазменными структурами

• Автор: Гоносков, Аркадий Александрович
• Шифр специальности: 01.04.21, 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 218 с. : ил.

1 Ускорение протонов при воздействии интенсивных лазерных импульсов на твердотельные мишени

1.1 Постановка задачи

1.2 Ускорение протонов на одномерных структурах

1.2.1 Эффекты, возникающие при релятивистской интенсивности .

1.2.2 Эффект релятивистской индуцированной прозрачности слоя .

1.2.3 Ускорение на тонкой фольге

1.2.4 Многокаскадный режим ускорения

1.2.5 Многомерные эффекты.

1.2.6 Обсуждение результатов

1.3 Ускорение протонов на двумерных и трехмерных структурах

1.3.1 Эффект краевого поля

1.3.2 Ускорение протонов краевым нолем
1.3.3 Возбуждение продольных потоков электронов.
1.3.4 Сферическая мишень для ускорения протонов.
1.3.5 Обсуждение результатов
1.4 Основные результаты и выводы.
2 Ускорение электронов при распространении интенсивных лазерных
импульсов в газовых струях
2.1 Ускорение электронов в 1азовых струях
2.1.1 Особенности численного моделирования
2.1.2 Режимы распространения лазерного импульса
2.1.3 Захват электронов в ускоряющую область.
2.1.4 Обсуждение результатов.
2.2 Гаммаисточник на лазерном ускорении электронов
2.2.1 Ускорение электронов
2.2.2 Отражение лазерного импульса.
2.2.3 Столкновение лазерного импульса и электронов.
2.2.4 Обсуждение результатов
2.3 Основные результаты и выводы
3 Ультрарелятивистская наноплазмоника
3.1 Постановка задачи.
3.2 Теоретическая модель релятивистская электронная пружина
3.2.1 Методы исследования.
3.2.2 Численное исследование
3.2.3 Постулаты и основные уравнения.
3.2.4 Режимы взаимодействия.
3.2.5 Обсуждение результатов.
3.3 Генерация аттосекундного излучения.
3.3.1 Генерация высоких гармоник.
3.3.2 Учет ограниченной когерентности
3.3.3 Сравнение с результатами численного моделирования
3.3.4 Оптимальные условия взаимодействия
3.3.5 Обсуждение результатов.
3.4 Концепция мишени в виде желоба для получения сверхсильных полей
3.4.1 Постановка задачи и существующие концепции.
3.4.2 Эффект генерации гигантских атгосекундных импульсов
3.4.3 Фокусировка гигантских аттосекундных импульсов
3.4.4 Численное моделирование
3.4.5 Обсуждение результатов.
3.5 Обсуждение результатов
4 Заключение
5 Приложение
5.1 Численное моделирование .
5.1.1 Подход частицы в ячейках
5.1.2 Интегрирование уравнений движения.
5.1.3 Интегрирование уравнений электромагнитного поля.
5.1.4 Процедура взвешивания .
5.1.5 Начальные и граничные условия
5.1.6 Одномерный непараллельный код I.
5.1.7 Двумерный и трехмерный параллельный код I.
5.1.8 Тестирование и обсуждение результатов
6 Работы, содержащие основные материалы диссертации
7 Литература
О Введение
0.1 Общая характеристика работы
Стремительный прогресс последних десятилетий в технологиях получения коротких лазерных импульсов с экстремально высокой интенсивностью стимулировал множество теоретических и экспериментальных исследований в области применения таких импульсов для решения актуапьных задач, среди которых можно выделить создание альтернативных компактных источников ускоренных заряженных частиц, а также вторичных источников излучения с уникальными характеристиками. При доступных сегодня значениях интенсивности до 2 х Втсм2 1 лазерные импульсы вызывают не только ионизацию вещества мишени, но и приводят к ультрарелятивистскому движению электронов. что открывает широкие возможности для трансформации энергии лазерного излучения при взаимодействии с образующимися плазменными структурами. В связи с этим сегодня бурно развивается направление теоретическою и экспериментального исследования процессов взаимодействия интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов со структурированными мишенями в контексте решения прикладных задач 2.
Работа посвящена изучению механизмов преобразования энергии лазерного излучения и поиску структур мишеней, обеспечивающих определенные сценарии взаимодействия, которые приводят к нацеленному использованию этой энергии для ускорения заряженных частиц или генерации электромагнитного излучения. В качестве основы возникновения сильно нелинейных режимов трансформации оптической энергии в работе изучаются эффекты, обусловленные ультрарелятивистской самосогласованной динамикой электронов плазмы при воздействии на псе интенсивного лазерного излучения. Изученные эффекты легли в основу предложенных в работе новых концепций источников ускоренных заряженных частиц, а также вторичных источников излучения с уникалыIыми характеристиками.
Актуальность


Этот метод представляет собой способ усиления коротких и мощных лазерных импульсов, позволяющий избежать возникновения оптического пробоя в усиливающей среде, и заключается в следующем см. Исходный лазерный импульс пропускается через стретчер дисперсионную оптическую систему, которая придает импульсу линейную частотную модуляцию так называемый чирп, растягивая его в пространстве и времени в десятки тысяч раз за счет разнесения составляющих его спектральных компонент. Естественно, при таком преобразовании интенсивность импульса значительно уменьшается, и в таком виде он усиливается активной средой, не вызывая е пробоя. После этого импульс сжимается до исходной длительности второй дисперсионной системой, обратной первой и называемой компрессором. В качестве стретчера и компрессора обычно используются пары дифракционных решеток, определенным образом расположенных и ориентированных по отношению к пути распространения лазерною импульса. Фактически идеей является то, что усиление импульса в активной среде происходит в растянутом виде, что предотвращает возникновение пробоя. При этом единственным местом, где происходит взаимодействие импульса высокой интенсивности с веществом, является поверхность последней сжимающей импульс дифракционной решетки, порог разрушения которой наступает при значительно больших интенсивностях, чем пробой в толще усиливающих сред. Наиболее успешным оказалось применение в качестве усиливающей среды двух материалов. Рис. Схематическое изображение технологии усиления мере чирпованные импульсы. Сверху принцип работы стретчера короткий импульс пропускается через дифракционную систему, в которой оптические пути для различных длин волн различны. В результате, на выходе стретчера импульс оказывается растянутым в пространстве и чириованным. Снизу принцип работы компрессора, которых представляет собой дифракционную систему, обратную стретч еру. На выходе из компрессора импульс снова имеет малую длительность. Т3А1гОз или i. Благодаря рекордно широкой полосе пропускания около см1 этого материала удается достигать высокие интенсивности за счет усиления очень коротких импульсов с длительностью всего несколько десятков фемтосекунд. При этом энергия импульсов обычно равна единицам или десяткам Джоулей. Вторым материалом является неодимовое стекло, здесь высокие интенсивности достигаются альтернативным образом за счет высокой энергетики длительность усиливаемых импульсов обычно находится на уровне пикосекунд, тогда как их энергия может достигать нескольких кДж. Еще одной альтернативой получения сверхмощных лазерных импульсов стала методика, основанная на параметрическом усилении света в нелинейнооптических кристаллах i i i ii . Идея этой методики была высказана группой А. Пискарскаса году , и была позднее реализована несколькими группами . Основным преимуществом этой методики является беспрецедентно высокий коэффициент усиления до 34 порядков при одном проходе через кристалл. Следует также отметить перспективность этой методики, обусловленную существованием технологий выращивания широкоапертурных кристаллов семейства гидрофосфат калия, что позволяет увеличивать энергию импульсов за счет масштабирования усилительных каскадов , . После изобретения методики усиления через чирнованные импульсы в году интенсивное развитие технологий получения сверхмощных импульсов позволило за последующие лет повысить пиковую интенсивность в фокусе на семь порядков, демонстрируя экспоненциально быстрый рост интенсивности с течением времени см. Рис. На данный момент год рекордным результатом является интенсивность 2 х Втсм2 1, которая была достигнута в году в Мичиганском университете за счет использования адаптивной оптики, обеспечившей почти идеальную фокусировку лазерного импульса с пиковой мощностью около 0 ТВт. Сегодня в мире существует несколько лазерных систем, позволяющих получать лазерные импульсы с пиковой мощностью на уровне 1 ПВт, и ряд проектов, нацеленных на дальнейшее увеличение мощности до уровня ПВт. Несмотря на это, по всей видимости, в последние годы экспоненциально быстрое развитие по интенсивному пути неизбежно сменяется более медленным развитием по экстенсивному пути.