Поглощение мощного лазерного излучения и генерация электромагнитных полей в когерентных плазменных структурах

• Автор: Костюков, Игорь Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 302 с. : ил.

Оглавление
1 Введение
1.1 Цели диссертационной работы
1.2 Актуальность и практическая значимость работы
1.3 Краткое содержание работы
1.4 Публикации и апробация результатов
2 Поглощение лазерного излучения в кластерной плазме
2.1 Линейный режим поглощения
2.1.1 Столкновительное поглощение лазерной энергии
2.1.2 Бесстолкновительное поглощение
2.1.3 Бесстолкновительный резонансный режим
2.1.4 Бесстолкновительный “авторезонансный” режим
2.1.5 Переход от столкновительного к бесстолкновительному режиму
2.2 Нелинейный стохастический нагрев и стохастическая внешняя ионизация кластера
2.2.1 Гамильтоновская формулировка задачи и переменные действия

2.2.2 Точечное отображение для кластера
2.2.3 Кластерное отображение в пределе больших амплитуд
2.2.4 Стохастический нагрев и стохастическая внешняя ионизация
кластера

2.3 Нелинейное обратное тормозное поглощение сильного лазерного поля
в кластерной плазме
2.3.1 Рассеяние электрона на кластерном потенциале в лазерном поле
2.3.2 Обратное тормозное поглощение сильной циркулярно поляризованной волны
2.3.3 Обратное тормозное поглощение сильной линейно поляризованной волны
2.3.4 Доминирование коллективного рассеяния электронов на кластерном потенциале над рассеянием на отдельных ионах
3 Полуфеноменологическая теория сильно нелинейного режима взаимодействия лазерного импульса с плазмой
3.1 Одномерная динамика
3.2 Структура электромагнитного поля в плазменной полости, образованной ультракоротким сверхмощным лазерным импульсом
3.2.1 Пространственно-временная структура электромагнитного поля в сферической улътрарелятивистской плазменной полости
3.2.2 Сила, действующая на ультрарелятивистский электрон в плазменной полости
3.2.3 Форма плазменной полости, образованной мощным лазерным импульсом
3.3 Захват плазменных электронов плазменной полостью
3.4 Генерация квазимоноэнергетических сгустков ультрарелятивистских электронов в сильно нелинейном режиме
3.4.1 Ускорение захваченных электронов в плазменной полости
3.4.2 Поперечная динамика захваченных электронов
4 Бетатронное излучение в лазерной плазме
4.1 Синхротронное излучение в ионном канале

4.1.1 Траектория ультрарелятивистского электрона в ионном канале
4.1.2 Бетатронное излучение ультрарелятивистских электронов
4.1.3 О возможности стимулированного излучения ультрарелятивистских электронов в ионном канале
4.2 Источник рентгеновского излучения - плазменно-лазерный синхротрон
4.2.1 Излучение собственных плазменных электронов
4.2.2 Генерация гамма-квантов внешним электронным пучком
4.3 Потери, связанные с бетатронным излучением, в плазменных ускорителях
4.3.1 Динамика электрона с учетом силы реакции излучения
4.3.2 Динамка электрона при большом числе бетатронных колебаний
4.3.3 Динамка электрона в отсутствии бетатронных колебаний
4.3.4 Результаты численного моделирования
4.3.5 Оценка эффективности плазменных ускорителей, обусловленная синхротронными потерями
4.4 Квантовые эффекты в сильных плазменных полях
4.4.1 Излучение фотона в квантовом режиме
4.4.2 Образование электрон-позитронной пары в плазменной полости
4.4.3 Квантовые эффекты в сильных полях
Численные методы для моделирования сильно нелинейного режима взаимодействия лазерного импульса с плазмой
5.1 Особенности моделирования методом частиц в ячейке
5.2 Квазистатический PIC код
5.2.1 Основные предположения
5.2.2 Уравнения электромагнитного поля
5.2.3 Уравнения движения макрочастиц
5.2.4 Численная реализация
следнее выражение можно переписать следующим образом
6У 2VI + ш2Г4 У.«, (П2 - х2)2 + Л2 '
Поскольку усиление поглощения происходит вблизи резонанса, предположим, что т~(1и частота столкновений мала В результате получаем
dU _ £о vufl*# f+0° ехр[~ъ&] dV ~ 2VTT ш2Т4 /-ос * 4x2 + i/2
= [1 “er/(m)1 exp ’ (2'10)
где erf (д) - интеграл вероятности [110] и д = Гг// (2Vl + ш2Т4).
Функция [1 — ег/ (д)] ехр (д2) монотонно спадает от 1 при д = 0 до 1/ (д/л) при д —> оо. Значение (dU/dV) /(Т/тг) сводится к плотности поглощаемой энергии, определяемой уравнением (2.5) вблизи резонанса и ~ Г2 в пределе Г —* оо
dU Wo Е2
(2.11)
dV dt 2и
В обратном пределе д <с 1 лазерная энергия, поглощаемая в единице кластерного объема, не зависит от частоты столкновения
Ш Зтер ЕсоТ)*
ЛУ 4УГТШ* ’ 1 ]
что соответствует бесстолкновительному режиму, т.е. возбуждению плазменных колебаний. Более общие выражения для бесстолкновительного поглощения будут получены в следующей части раздела в рамках гамильтоновского подхода. Как следует из уравнения (2.10), коэффициент столкновительного поглощения для короткого лазерного импульса существенно отличается от стандартного выражения (2.5), полученного в пределе бесконечно длинного импульса.