Взаимодействие ультракоротких релятивистски сильных лазерных импульсов с разреженной плазмой

• Автор: Солодов, Андрей Аркадьевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 139 с.

Оглавление
1 Введение-
1.1 Основные аспекты взаимодействия ультракоротких сверхсильных лазерных импульсов с разреженной плазмой
1.2 Лазерное ускорение электронов в плазме.
1.3 Краткое содержание диссертации
2 Описание кода, использованного для численного моделирования распространения лазерных импульсов в плазме.
2.1 Уравнение для высокочастотного поля
2.2 Уравнения для низкочастотных (плазменных) полей
2.3 Уравнения для частиц
2.4 Ионы
2.5 Замечания о структуре численной схемы
2.6 Ускорение пробных электронов
3 Исследование распространения ультракоротких релятивистски сильных лазерных импульсов в разреженной плазме.
3.1 Ускорение фотонов плазменной волной
3.1.1 Обзор ранее полученных результатов
3.1.2 Ускорение фотонов в одномерном случае в стационарной плазменной волне
3.1.3 Ускорение фотонов в одномерной нестационарной кильватерной
плазменной волне
3.1.4 Ускорение фотонов в аксиально-симметричном случае
3.1.4.1 Аналитическая формула для сдвига частоты пробного импульса
3.1.4.2 Численное моделирование ускорения фотонов
3.1.5 Обсуждение результатов

3-2 Фазовая скорость плазменной полны при резонансной модуляционной неустойчивости лазерного импульса и ускорение электронов. Релятивистская самофокусировка и автомодельные структуры лазерного импульса
3.2.1 Фазовая скорость плазменной волны при резонансной модуляционной неустойчивости лазерного импульса
3.2.2 Релятивистское каналирование. Автомодельные структуры лазерного импульса
3.3 Динамика ионов в кильватерной плазменной волне, возбуждаемой коротким интенсивным лазерным импульсом в плазме
3.3.1 Продольный импульс ионов в плазменной волне
3.3.1.1 Основные уравнения и квазистатическое приближение.
3.3.1.2 Энергия и импульс кильватерной плазменной волны
3.3.1.3 Численное моделирование
3.3.1.4 Обсуждения
3.3.2 Поперечный импульс ионов в плазменной волне
3.3.2.1 Аналитическое описание формирования ионного канала.
3.3.2.2 Замечание о численном моделировании с помощью гидродинамического кода
3.3.2.3 Численное моделирование формирования ионного ка-
нала и опрокидывания плазменной волны с помощью кода Wake
3.3.2.4 Обсуждение результатов и заключение
4 Исследование распространения коротких интенсивных лазерных импульсов в разреженной плазме в приложении к лабораторным экспериментам.
4.1 Наблюдение ускорения электронов плазменной волной, возбуждаемой ультракоротким лазерным импульсом
4.2 Распространение лазерного импульса в плазме в режиме самомодуляции.
4.3 Ускорение электронов высокочастотным полем лазерного импульса и плазменной волной в эксперименте по лазерному ускорению электронов
в плазме
Заключение
Литература

Глава 1 Введение.
В последние десятилетия был достигнут значительный прогресс в генерации ультракоротких сверхеильных лазерных импульсов. Этот прогресс связан с появлением в середине 80-х годов компактных твердотельных лазерных систем, использующих метод усиления частотно-модулированных импульсов [1]. Появление таких систем явилось событием сравнимым по своему значению с изобретением самих лазеров. С их помощью оказалось возможным достижение интенсивностей на 4 порядка выше достижимых ранее. При фокусировке таких импульсов, имеющих мощность в диапазоне терраватт, интенсивность в фокусе оказывается в диапазоне 1018 Вт/см2 и выше, а амплитуда электрического поля Ю10 В/см и выше. Эти поля существенно превышают атомные кулоновские поля и приводят к прямой бестунельной ионизации атомов. При таких интенсивностях и длине волны порядка I мкм, характерной для лазеров, электроны плазмы осциллируют с релятивистскими скоростями, что открывает совершенно новые, не исследованные ранее режимы взаимодействия излучения с веществом. При этом импульсы имеют чрезвычайно малую длительность: от 10 фс до 1 пс. Это меньше, чем характерные времена гидродинамического движения и термализации плазмы. Следовательно, оказывается возможным создание неравновесной плазмы с концентрациями вплоть до твердотельных.
Эти революционные достижения в технологии генерации лазерных импульсов усилили и в значительной степени обусловила интерес к вопросам их взаимодействия с веществом. Комбинация высоких интенсивностей с короткой длительностью делает взаимодействие таких импульсов с веществом уникальным.

Глава
Исследование распространения ультракоротких релятивистски сильных лазерных импульсов в разреженной плазме.
ЗЛ Ускорение фотонов плазменной волной.
Как известно, при распространении лазерного излучения в среде с изменяющимися во времени диэлектрическими свойствами происходит сдвиг его частоты. При росте показателя преломления в среде происходит сдвиг частоты излучения вниз по спектру, а при его уменьшении вверх. Сдвиг частоты излучения вверх по спектру происходит при ионизации газа. При этом может увеличиваться как частота интенсивного излучения, ионизирующего вещество, так и излучения малой интенсивности, распространяющегося через ионизационный фронт. К настоящему времени разработана теория, описывающая сдвиг частоты (ускорение фотонов) в данной схеме (см. [77, 78] и ссылки в них), а также проведены лабораторные эксперименты. В экспериментах наблюдался как сдвиг частоты ионизирующего излучения, так и пробных импульсов, распространяющихся через ионизационные фронты - в одном направлении с ионизационным фронтом и навстречу фронту [79, 80, 81].
Предложена и другая схема ускорения фотонов - быстрыми плазменными волнами, возбуждаемыми в плазме короткими интенсивными лазерными импульсами. В этой схеме сдвиг частоты обусловлен нестационарностью показателя преломления в плазменной волне. Вообще говоря, может меняться как частота импульса, возбуждающего плазменную волну, так и частота пробных импульсов, распространяющихся в