Лазерная генерация ускоренных частиц и коротковолнового излучения с использованием диэлектрических капилляров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Мальков Юрий Андреевич

ЛАЗЕРНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ УСКОРЕННЫХ ЧАСТИЦ И КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАПИЛЛЯРОВ

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

18 MAP 2015

Нижний Новгород — 2015

005560852

005560852

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки (ФГБУН) Институте прикладной физики Российской академии наук (г. Нижний Новгород)

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Степанов Андрей Николаевич, ФГБУН Институт прикладной физики РАН

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Бакунов Михаил Иванович, Нижегородский государственный университет имени Н. И. Лобачевского (Национальный исследовательский университет);

доктор физико-математических наук, профессор Савельев-Трофимов Андрей Борисович, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова»

Ведущая организация: ФГБУН Объединенный институт

высоких температур РАН

Защита состоится «20» апреля 2015 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 при ФГБУН Институте прикладной физики РАН, расположенном по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, д. 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

Автореферат разослан 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физико-математических наук, профессор

Ю. В. Чугунов

Актуальность работы

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 60-х годов, долгое время лазерные технологии не позволяли получать частицы с уровнем энергии более одного мегаэлектронвольта. С середины 90-х 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 -1021 Вт/см2) с веществом образуется плазма и, на начальном этапе, ускоряются электроны, которые за счет смещения относительно практически неподвижных ионов создают электрическое поле, обеспечивающее ускорение заряженных частиц. В частности, на этом принципе основано лазерное ускорение электронов плазменной волной (Laser Wakefield Acceleration, LWFA), предложенное Тажимой и Даусоном в 1979 году [6].

Одна из основных проблем при данном подходе заключается в том, что для достижения электронами заметной энергии (100-1000 МэВ) необходима большая длина ускорения, что требует каналирования интенсивного лазерного излучения на соответствующие расстояния, в частности при помощи газонаполненных капилляров. В большинстве экспериментальных работ, посвященных ускорению электронов, вышедших на сегодняшний день, капилляры используются в многомодовом режиме [7, 8], т.е. диаметр капилляра существенно превышает диаметр сфокусированного лазерного пучка и, в итоге, капилляр не оказывает большого влияния на распространение лазерного импульса. Применение диэлектрических капилляров в условиях одномодового режима для увеличения длины ускорения электронов является одной из задач диссертации.

Другой острой проблемой лазерно-плазменного ускорения электронов является проблема захвата электронов плазменной волной. Даже в случае создания лазерным импульсом плазменной волны большой интенсивности необходимо, чтобы электроны, попадающие в ускоряющую фазу плазменной волны (с субпикосекундным периодом колебаний), имели достаточно высо-

кую скорость. В первых работах по лазерно-плазменному ускорению использовался внешний инжектор электронов на основе традиционного ускорителя [9], однако в этом в случае удавалось ускорить лишь единичные электроны из-за большой длительности электронных пучков с ускорителей и проблем с синхронизацией. С другой стороны, при наличии достаточно высокой интенсивности лазерного импульса, возможна самоинжекция в плазменную волну [10, 11], что значительно упрощает схему. Для уменьшения порога самозахвата было предложено большое число разнообразных схем, таких как использование дополнительного встречного пучка лазера [12], острая фокусировка лазерного пучка [13], чирпирование лазерного импульса [14], использование смеси газов, один из которых обладает высоким порогом ионизации [15-17], приложение внешнего сильного магнитного поля [18], создание неоднородного распределения плазмы.

Лазерное ускорение ионов при помощи мощных лазерных импульсов происходит как следствие ускорения электронов лазерным полем: электроны ускоряются лазерным импульсом и покидают плазму, при этом возникшее поле разделения зарядов останавливает процесс вылета. За счет большой величины поля разделения и достигается эффективное ускорение ионов.

В начале 2000-х годов несколькими экспериментальными группами при облучении мишеней в виде тонких фольг высокоинтенсивным лазерным излучением, имеющим длительность импульса от нескольких пикосекунд и короче, была продемонстрирована генерация коллимированных пучков протонов с энергией в десятки МэВ. При этом эффективность конверсии лазерного излучения в энергию ускоренных ионов достигала нескольких процентов [19, 20]. Эти эксперименты вызвали бурнун5 волну активности, направленную как на экспериментальную оптимизацию процесса ускорения, так и на выявление и развитие моделей расширения плазмы.

Однако в то же время прогресс развития в плане увеличения максимальной энергии ионов несколько замедлился. С момента выхода работ [19, 20] прошло более десяти лег, однако достигнутая максимальная энергия ионов увеличилась менее чем в два раза. Основным путем развития рассматривается увеличение лазерной интенсивности и повышение контраста лазера, на этом пути были достигнуты определённые успехи, например, были получены ионы углерода с энергиями до 1 ГэВ. Однако для этого требуется использование больших лазерных систем с энергией в сотни джоулей [4]. В то же время на данный момент активно проводятся исследования новых мишеней для ускорения ионов, которые позволяют получить относительно высокие энергии ионов (10-20 МэВ на нуклон) при относительно низких интенсивностях (Ю17-1018 Вт/см2) [21,22].

Генерация высоких гармоник, когерентного излучения, лежащего в вакуумном ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазонах длин волн, происходит при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с интенсивностью порядка 1014 Вт/см2 с газами [23, 24]. Получаемое в резуль-

тате генерации гармоник излучение имеет фемтосекундную длительность и обладает пространственной когерентностью, что позволяет его использовать во многих приложениях, таких как дифрактометрия [25], спектроскопия с временными разрешением [26], интерферометрия [27], затравка для лазеров на свободных электронах [28-30].

Важным параметром излучения гармоник с точки зрения приложений является ширина диапазона спектра генерации. Для того чтобы получить широкий спектр, удобный для спектроскопических применений, можно использовать предельно короткие фемтосекундные импульсы [31]. Однако, даже в случае относительно длинных импульсов, с длительностью порядка 50100 фс, можно получить перестройку длин волн гармоник в широком диапазоне (в частности, за счет существенного уширения спектра фемтосекундного лазерного импульса в сторону коротких длин волн, возникающего при распространении лазерного излучения в газонаполненном капилляре в условиях ионизации [32], а также за счет неадиабатического смещения спектра [33], наблюдаемого для очень коротких импульсов).

Целью диссертационной работы является разработка новых методов ускорения электронов и ионов, генерация мягкого рентгеновского излучения при помощи лазера тераваттного уровня мощности с использованием диэлектрических капилляров. В связи с заявленной целью работа была направлена на решение следующих задач:

1. Исследование характеристик плазменной волны, возбуждаемой интенсивным лазерным импульсом в газонаполненном капилляре.

2. Разработка источника быстрых электронов, генерируемых при взаимодействии лазерного излучения с фольгами в различных геометриях.

3. Экспериментальное исследование перестройки спектра генерации высоких гармоник фемтосекундного лазерного излучения, распространяющегося в газонаполненном диэлектрическом капилляре.

4. Исследование процессов эффективного ускорения быстрых ионов при расширении плазмы, созданной мощным лазерным импульсом в диэлектрическом капилляре.

Научная новизна

1. Проведено экспериментальное исследование характеристик плазменной волны возбужденной тераватгным фемтосекундным лазерным импульсом в наполненном инертным газом диэлектрическом капилляре в одномодовом режиме распространения.

2. Продемонстрирована генерация высококоллимированных (до 6 мрад), квазимоноэнергетичных пучков электронов с энергиями до 1 МэВ с помощью лазера с умеренной (не превышающей 1.5 ТВт) мощностью.

3. Эксперименты по генерации высоких гармоник в капилляре, наполненном ксеноном, показали возможность создания простого перестраиваемого в широком диапазоне источника ВУФ-излучения с использованием длинных диэлектрических капилляров.

4. Впервые получена генерация ионов с энергиями, достигающими 1 ГэВ (более 20 МэВ на нуклон) при низкой суб-джоульной энергетике лазерных импульсов с использованием в качестве мишени пустых диэлектрических капилляров.

5. Предложена новая модель для объяснения неожиданно высоких энергий ионов, полученных в экспериментах с использованием капилляра.

Научная и практическая значимость диссертации

Результаты представленной диссертационной работы имеют как научное, так и практическое значение.

Лазерное ускорение электронов в газонаполненных капиллярах потенциально может быть использовано в качестве альтернативы традиционным ускорителям для электронной терапии опухолей и постоперационной электро-нотерапии.

Перестраиваемый спектр генерации высоких гармоник, полученный экспериментально, может быть использован для спектроскопических приложений.

Результаты экспериментального и теоретического исследования ускорения ионов в полых диэлектрических капиллярах могут быть использованы для повышения максимально достижимых энергий при лазерно-плазменном ускорении ионов, что является острой проблемой для применения лазерных ускорителей на практике.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Лазерные импульсы длительностью 60 фс, энергией 60 мДж при распространении в диэлектрическом капилляре, наполненном гелием, возбуждают плазменную волну с величиной ускоряющих полей порядка 5-10 МВ/см, что при длине капилляра 5 см позволяет ускорять электроны до энергий до нескольких десятков МэВ.

2. При взаимодействии мощного лазерного излучения длительностью 70 фс и интенсивностью 1017 Вт/см2 с границей металлических фольг существует режим генерации квазимоноэнергетичных узкоколлимированных пучков ускоренных электронов с энергиями до 1 МэВ, расходимостью менее 10 мрад, которые могут быть использованы для дальнейшей инжекции в плазменную волну.

3. При генерации высоких гармоник фемтосекундными лазерными импульсами, распространяющимися в капилляре диаметром 100 мкм длиной

2 см, наполненном ксеноном, можно получить перестраиваемое когерентное мягкое рентгеновское излучение в диапазоне длин волн 30-52 нм. Перестройка длины волны генерации высоких гармоник для капилляра длиной несколько сантиметров вызвана ионизационным сдвигом лазерного излучения в коротковолновую область.

4. При фокусировке лазерного излучения (импульсы длительностью 70 фс, энергия в импульсе до 100 мДж) на входной торец пустого диэлектрического капилляра, используемого в качестве мишени для лазерно-плазменного ускорения, возможно достижение значительно большей энергии ускоренных ионов, чем в случае использования в качестве мишени плоской фольги при сопоставимой интенсивности лазерного излучения.

5. Существенное увеличение энергии ускоренных ионов при использовании в качестве мишени диэлектрического капилляра связано с большим размером исходной плазмы (что приводит к замедлению остывания электронов), генерацией электронов с энергией выше пондермоторной на начальном этапе взаимодействия лазерного импульса с капилляром, а также зарядкой диэлектрических стенок капилляра при расширении плазмы в капилляре.

Достоверность

В экспериментах использовались хорошо апробированные экспериментальные методики и теоретические подходы. Все полученные результаты обладают высокой степенью достоверности и являются обоснованными. Подтверждением этого служит согласие аналитических и расчетных данных с результатами, полученными в экспериментах. Основные положения диссертации опубликованы в ведущих российских и зарубежных журналах, неоднократно докладывались на международных и всероссийских конференциях и обсуждались на семинарах в ИПФ РАН.

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в проведении экспериментов, постановке задач, выполнял настройку частей лазерной системы, проводил обработку экспериментальных данных, проводил интерпретацию результатов. Научный руководитель А. Н. Степанов ставил общие задачи, определял основные направления исследований, участвовал в проведении экспериментов и интерпретации полученных результатов. Эксперименты по исследованию характеристик плазменной волны были выполнены совместно с В. И. Ереминым, численное моделирование для эксперимента проводилось Н. Е. Андреевым. Эксперименты по ускорению электронов при взаимодействии с торцами фольги были проведены совместно с Д. А. Яшуниным, численное моделирование для эксперимента проводилось Н. Е. Андреевым, А. А. Андреевым, П. Р. Левашовым, Л. П. Пугачевым,

К. Ю. Платоновым. Эксперименты по генерации высоких гармоник в капилляре проводились совместно с Д. А. Яшуниным, численное моделирование для эксперимента проводилось H. Е. Андреевым. Эксперименты по ускорению ионов в капилляре были проведены совместно с Д. А. Яшуниным, построение модели для эксперимента проводилась совместно с В. Е. Семеновым.

Публикации и апробация результатов

Изложенные в диссертации результаты неоднократно обсуждались на семинарах отделения нелинейной динамики и оптики ИПФ РАН.

Основные результаты и положения работы доложены автором:

1. на международных конференциях: Laser Optics (2010, 2012, г. Санкт-Петербург), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics/ Lasers, Applications, and Technologies (ICONO/LAT, 2010, г. Казань, 2013, г. Москва), European Conference on Lasers and Electro-Optics and the European Quantum Electronics Conference (CLEO Europe, 2013, г. Мюнхен, Германия), 68th Scottish Universities Summer School in Physics (SUSSP'68, 2011, г. Глазго, Великобритания), Conference on High Intensity Laser and attosecond science in Israel (CHILI 2013, г. Тель-Авив, Израиль).

2. на конференциях молодых ученых, проводимых в Нижнем Новгороде и области: Нелинейные волны (2010, 2012, г. Бор), Нижегородская сессия молодых ученых (2010, г. Семенов)

По теме диссертации опубликованы 4 статьи в реферируемых российских и зарубежных научных журналах, а также 11 тезисов докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 89 источников. Работа изложена на 121 странице машинописного текста и включает 63 рисунка.

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность выбранной тематики исследований диссертационной работы, определена цель, сформулированы положения, выносимые на защиту, приведена структура диссертационной работы и ее краткое содержание.

В первой главе описывается тераваттная лазерная система, на которой осуществлялись эксперименты, представленные в диссертации. В параграфе 1.1 приведены основные принципы работы, устройство и методы настройки лазерной системы. Общая схема системы приведена на рис. 1.

2-3 нДж

Рис. 1. Блок-схема тераваттного фемтосекундного лазерного комплекса

В параграфе 1.2 приводятся технические характеристики результирующих фемтосекундных лазерных импульсов. В экспериментах использовался фемтосекундный лазерный комплекс на кристаллах Т^Ба, который позволяет генерировать лазерные импульсы со следующими параметрами: длительность импульса т » 60-70 фс, длина волны излучения X ~ 0.8 мкм, энергия в импульсе до Шря 160 мДж, частота повторения ^ = 10 Гц. Величина интенсивности фемтосекундного предимпульса, приходящего за 12 не до основного составляла не превосходила 10"4 по отношению к основному импульсу. Величина контраста усиленного спонтанного излучения (УСИ) оценочно составляла (2-5)-10"7.

Вторая глава посвящена задаче ускорения электронов плазменной волной, возбуждаемой фемтосекундным лазерным импульсом в диэлектрическом газонаполненном капилляре.

В параграфе 2.1 приведены результаты экспериментальных исследований спектральной модификации интенсивных лазерных импульсов в длинном капилляре, наполненном гелием. При распространении лазерного импульса в газонаполненном капилляре происходит модификация спектра лазерного импульса, связанная, во-первых, с ионизацией газа и, во-вторых, с возбуждением в плазме плазменных волн. Первая причина приводит к появлению в спектре коротковолновых компонент. Возбуждение плазменных волн ведет к смещению спектра в длинноволновую область. На этом была построена основная идея экспериментальной характеризации плазменной волны в капилляре - сопоставление экспериментально измеренных спектров интенсивного

лазерного излучения, прошедшего через наполненный газом капилляр и производящего ионизацию газа и возбуждение плазменной волны, с расчетными спектрами, полученными при численном моделировании, которые впоследствии можно использовать для определения создаваемых в капилляре ускоряющих полей. В экспериментах использовались лазерные импульсы длительностью т ~ 60 фс, энергией до IV = 60 мДж. В качестве среды использовались диэлектрические капилляры, наполненные гелием с внутренним диаметром 75 микрон и длиной 5 см.

Характерными особенностями экспериментальных спектров, прошедших через газонаполненный капилляр, является модификация их частей, лежащих в области длин волн, соответствующей исходному спектру лазерного импульса, и появление промодулированных по длине волны коротковолновых спектральных компонент. Сравнение с проведенным моделированием показало, что расчет адекватно отображает модификацию спектра в целом, сдвиг центральной части спектра и отрастание коротковолнового «хвоста». При этом наблюдаются расхождения в деталях мелкомасштабной структуры ос-цилляций спектра в зависимости от длины волны.

Количественное сравнение результатов численного моделирования и эксперимента осуществлялось также по интегральному параметру - среднему сдвигу между исходным спектром импульса и спектром импульса, прошедшим через капилляр, в измеряемом диапазоне длин волн. Зависимости этой величины от давления гелия и энергии в лазерном импульсе представлены на рис. 2, они также демонстрируют хорошее соответствие между экспериментом и расчетом.

о -10

£

I'20

О

5-30

S

00

3-ю

-50 -60

II 1 1 1 II 1 Ы 1

- ■ Эксперимент

-ч Ei- Расчеты

в й >

Л г ■

щ » я

-<

-

10 20 30 40 50 60 70 ВО Энергия. мДж

5 0

2 -5

X

го

<U

5-155

а

О -20-25-30-

I I 1 1 II II

Ч 1 -1,1,-

я Эксперимент —

\ четь |Н. =. At- Аре эва

а

■

ä> /

\ ь В

Даеление, Topp

Рис. 2. Зависимость сдвига средней длины волны между падающим и прошедшим импульсом от энергии при давлении 10 Topp {слева) и зависимость сдвига средней длины волны в падающем и прошедшем импульсом от давления при энергии в импульсе 60 мДж (справа). Квадраты - эксперимент, кружки - расчет.

Коллимированный пучок электронов

На основе сравнения экспериментальных данных с результатами моделирования была сделана оценка величины ускоряющих полей в плазменной волне в экспериментальных условиях, которые лежали в диапазоне.

В параграфе 2.2 приведены результаты экспериментального исследования характеристик источника быстрых электронов, основанного на генерации узкоколлимированных квазимоноэнергетичных пучков электронов, возникающих при взаимодействии мощных лазерных импульсов с границами алюминиевых фольг. Источник может быть использован для инжекции и последующего ускорения электронов в плазменной волне, возбуждаемой в газонаполненном капилляре. В эксперименте исследовалась диаграмма направленности и энергетический спектр пучка ускоренных электронов при взаимодействия лазерного излучения с интенсивностью 1017 Вт/см2 с торцом алюминиевой фольги (см. рис. 3, слева). В экспериментах использовались лазерные импульсы длительностью т » 60 фс, энергией до W= 100 мДж. В качестве детектора электронов применялся сцинтилляционный экран Lanex Medium, с или без установленной перед ним магнитной системой.

lm3X~1017 Вт/см2

предплазмз

Фольга

Рис. 3. Геометрия взаимодействия интенсивного лазерного импульса с торцом фольги (слева), а также угловое распределение пучка электронов при фокусировке лазерного излучения на торец фольги (справа)

В эксперименте наблюдались высококоллимированные пучки электронов, направленные практически по оси лазерного излучения с расходимостью, достигающей 6 мрад (см. рис. 3, справа). Энергетический спектр электронных пучков имел существенно немонотонное распределение с одним или несколькими максимумами. Для некоторых выстрелов наблюдался одиночный энергетический пик с шириной спектра по полувысоте составляющей менее 20 % от энергии, соответствующей максимуму распределения (см. рис. 4).

Механизмом ускорения коллимированных пучков электронов является захват и ускорение электронов в плазменной волне, возбуждаемой в результате модуляционной неустойчивости лазерного импульса в докритической

плазме, созданной преднмпульсом лазерной системы. PIC моделирование показало, что при наличии пространственных неоднородностей на границе плазмы (что было подтверждено в дополнительных экспериментах) и резких фронтов во временной форме пучка может происходить эффективное возбуждение плазменной волны, захват и ускорение пучков электронов до энерги-ий порядка 1 МэВ.

2 1 _3|

I

и

Энергия, МэВ

Рис. 4. Распределение свечения сцинтилляциониого экрана на CCD камере для двух лазерных импульсов (слева). Энергетические спектры электронов, измеренные в трех различных лазерных импульсах, кривые (справа)

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию генерации высоких гармоник фемтосекундного лазерного излучения, распространяющегося в газонаполненном диэлектрическом капилляре.

В параграфе 3.1 приводится краткое описание экспериментальной установки. В экспериментах с гармониками использовались лазерные импульсы длительностью г «70 фс, энергией W =0.5-5 мДж с центральной длиной волны 795 нм и частотой повторения 10 Гц. В качестве мишени использовались диэлектрические капилляры, наполненные ксеноном с внутренним диаметром 100 микрон и длиной 3 см. Интенсивность лазерного излучения на входе в капилляр находилась в диапазоне /= (3-30)-10м Вт/см2. Диагностика высоких гармоник, генерируемых в результате взаимодействия лазерного излучения с газом в капилляре, осуществлялась при помощи вакуумного ультрафиолетового спектрометра McPherson (модель 248/310G).

В параграфе 3.2 приведены измеренные диаграмма направленности излучения гармоник и спектры излучения высоких гармоник, которые демонстрировали заметную перестройку положения отдельных гармоник по длине волны в зависимости от давления газа в капилляре, которая позволила в условиях эксперимента обеспечить практически полное перекрытие диапазона длин волн от 30 до 52 нм. Последнее весьма важно для спектроскопических исследований. В эксперименте также была измерена зависимость эффективности и

VIэВ 0.4 МэВ 0,2 МэВ

0.7 МэВ 0.3 МэВ

0.4 МэВ 0.2 МэВ

0.7 МэВ 0.3 МэВ

величины перестройки длин волн отдельных гармоник (рис. 5) от интенсивности и давления ксенона в капилляре.

Рис. 5. Зависимость нормированного центра спектра гармоник от давления газа при интенсивности лазерного поля 1015 Вт/см2 (слева), и зависимость нормированного центра спектра от интенсивности лазерного поля, давление ксенона 3 Тора (справа)

Положение центров масс спектров излучаемых гармоник сдвигается на величину сравнимую с расстоянием между гармониками в сторону коротких длин волн с ростом интенсивности и давления. При давлениях выше 10 Topp происходит насыщение величины сдвига спектра.

В параграфе 3.3 приводятся обсуждение экспериментальных результатов и сравнение с результатами численного моделирования. На основе сопоставления перестройки длины волны генерации высоких гармоник с перестройкой исходного лазерного излучения, а также численного моделирования, смещение длины волны отдельных гармоник в наших условиях объясняется ионизационным сдвигом спектра лазерного излучения на фундаментальной длине волны в сторону коротких длин волн.

Четвертая глава посвящена экспериментальному и теоретическому исследованию генерации ускоренных ионов при взаимодействии мощного лазерного излучения с использованием пустого диэлектрического капилляра в качестве мишени.

В параграфе 4.1 приводится кратное описание экспериментальной установки. В эксперименте использовались лазерные импульсы длительностью 70 фс, энергией 100 мДж и с центральной длиной волны 800 нм. Фокусировка лазерного излучения осуществлялась на вход пустого диэлектрического капилляра из боросиликатного стекла с внутренним диаметром 70 мкм, длиной 0.5^4 см. В качестве основного регистратора частиц высоких энергий использовалась рентгеновская CCD камера Andor D0434BN. Камера была защищена от излучения оптического диапазона при помощи пары алюминиевых фильтров толщиной 250 нм. Алюминиевые фильтры вместе с камерой были удалены от капилляра на расстояние порядка метра с целью уменьшения интенсив-

0,995

ности прошедшего через капилляр лазерного импульса до безопасного уровня.

В параграфе 4.2 приведены результаты калибровки CCD камеры, используемой для регистрации энергии ускоренных ионов.

При взаимодействии ионизирующего излучения с камерой в чувствительном слое кремния происходит генерация фотоэлектронов. При энергии кванта (частицы) большей 3 эВ в процессе взаимодействия излучения с чувствительным слоем может генерироваться более одного фотоэлектрона. Для оценки количества созданных фотоэлектронов используется формула: N = £/3.65эВ[34], где N- число генерируемых фотоэлектронов, а Е-энергия частицы, поглощенная в чувствительном кремниевом слое при взаимодействии с камерой. Оценка энергии частицы в эксперименте осуществлялась путем суммирования числа фотоэлектронов по площади следа частицы на камере. Для этого было проведена калибровка камеры источником Fe55, позволившая получить величину количества фотоэлектронов приходящих на один логический отсчет камеры.

В параграфе 4.3 приведены экспериментальные результаты. Распределение частиц по энергии, выделенной в чувствительном слое камеры, представлено на рис. 6. Максимальная поглощенная энергия достигает величину 1.2 ГэВ. Наблюдаемые частицы являются ионами, т.к. другие типы частиц (такие как электроны и фотоны) не могут выделить энергию более нескольких МэВ в относительно тонком светочувствительном слое камеры. Измеренное в одной серии угловое распределение максимальной выделившейся энергии ионов приведено на рис. 7.

§

8.W

| с

О И

ч

/ \

J / \ <

/ \ \ - 8

. ■ ! \ V - 6 вЯг—

Энергия ионов, МэВ

Рис. 6. Энергетическое распределение ионов с энергией больше 1 МэВ, просуммированное по нескольким сотням выстрелов

Рис. 7. Угловое распределение ВУФ излучения (пунктирная линия) и максимальное значение энергии ионов (сплошная линий). Нулевой угол соответствует оси симметрии капилляра

В параграфе 4.4 приведена модель, объясняющая неожиданно высокие энергии ионов. Ключевыми особенностями, влияющими на полученный результат, являются: большой размер исходной плазмы, что приводит к замедлению остывания электронов; генерация высокотемпературного «хвоста» в функции распределения электронов по энергии.

Кроме этого, на процесс ускорения существенно влияет зарядка диэлектрических стенок капилляра при расширении плазмы в капилляре. Начиная с момента расширения плазмы, когда радиус Дебая становится сравнимым с поперечным радиусом капилляра, ускоряющие поля уже не зависят от радиуса Дебая, а определяются диаметром капилляра за счет осевших на стенках электронов, приобретая трехмерную структуру. Этим хорошо объясняется кольцеобразная диаграмма направленности на рис. 7. Кроме того, простые оценки на основе модели дают величину энергии порядка 1.8 ГэВ, что находится в согласии с экспериментально измеренными значениями.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные результаты диссертационной работы:

1. Проведена диагностика плазменной волны, возбуждаемой при распространении интенсивного фемтосекундного лазерного излучения в диэлектрическом капилляре, заполненном инертным газом. Исследование характеристик плазменной волны осуществлялась на основе измерений модификации спектра интенсивного фемтосекундного импульса, создающего плазменную волну. На основе сравнения экспериментальных спектров с численными расчетами оценены величины ускоряющих полей в плазменной волне, которые находятся в диапазоне 1—10 МВ/см, что позволяет рассчитывать на получение ускоренных электронов с энергией в несколько десятков МэВ при умеренной мощности лазерного излучения порядка 1 ТВт и длине капилляра в несколько сантиметров.

2. Экспериментально изучено формирование коллимированных квази-моноэнергетичных пучков ускоренных электронов при фокусировке фемтосекундного лазерного излучения интенсивностью 2-1017 Вт/см2 на торец алюминиевой фольги. Электроны имели энергетическое распределение с максимумом в диапазоне энергий 0.2-0.8 МэВ, разбросом по энергии менее 20 % и угловой шириной диаграммы направленности порядка Юмрад. Механизмом ускорения является захват и ускорение электронов в плазменной волне, возбуждаемой в результате модуляционной неустойчивости лазерного импульса в докритической плазме, созданной предимпульсом лазерной системы.

3. Проведены эксперименты по созданию перестраиваемого источника когерентного мягкого рентгеновского излучения в диапазоне длин волн 30-52 нм на основе генерации высоких гармоник фемтосекундного лазерного излучения, распространяющегося в диэлектрическом

капилляре, наполненном ксеноном. Показано, что большая трасса распространения интенсивного лазерного импульса в капилляре позволяет за счет ионизационного сдвига спектра импульса перестраивать длину волны генерируемых гармоник путем изменения давления газа в капилляре, практически полностью перекрывая рассматриваемый диапазон.

4. Показано, что при фокусировке интенсивного фемтосекундного лазерного излучения (1~ 2-1017 Вт/см2, W< 100 мДж, т ~ 70 фс) на вход полых диэлектрических капилляров происходит генерация ионов больших энергий. Максимальная энергия ионов, наблюдаемая в эксперименте (>1 ГэВ или > 20 МэВ на нуклон), существенно превосходит результаты других экспериментов, использующих в качестве мишеней диэлектрические и металлические фольги, при сравнимых мощностях и энергиях в лазерном импульсе.

5. Предложена модель ускорения ионов, основанная на разлете протяженной плазмы внутри капилляра, генерации высокотемпературного «хвоста» в функции распределения электронов по энергии на этапе образования плазмы, а также зарядке диэлектрических стенок капилляра при расширении плазмы, приводящей к насыщению спада ускоряющего поля.

Основные результаты автора опубликованы в работах:

Al. V. Eremin, Yu. Malkov, V. Korolikhin, A. Kiselev, S. Skobelev, A. Stepanov, and N. Andreev. Study of the plasma wave excited by intense femtosecond laser pulses in a dielectric capillary //Physics of Plasmas (1994-present). - 2012. -T. 19. — №. 9. — C. 093121.

A2. Мальков, Ю. А., Степанов, A. H., Яшунин, Д. А., Пугачев, Jl. П., Левашов, П. Р., Андреев, Н. Е., & Андреев, А. А.. Генерация квазимонохроматических пучков ускоренных электронов при взаимодействии слабоконтрастного интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с краем металлической фольги //Квантовая электроника. - 2013. - Т. 43. - № 3 -С. 226-231.

A3. Yu.A. Malkov, A.N. Stepanov, D.A. Yashunin, L.P. Pugachev, P.R. Levashov, N.E. Andreev, K.Yu. Platonov, and A.A. Andreev, Collimated quasi-monochromatic beams of accelerated electrons in the interaction of a weak-contrast intense femtosecond laser pulse with a metal foil // High Power Laser Science and Engineering. - 2013. - Т. 1. - № 02. - C. 80-87.

A4. Ю.А. Мальков, Д.А. Яшунин, A.M. Киселев, H.E. Андреев, A.H. Степанов, Перестраиваемый источник когерентного излучения мягкого рентгеновского диапазона на основе генерации высоких гармоник фемтосекундного лазерного излучения в газонаполненных капиллярах // Квантовая электроника. - 2014. - Т. 44. - № 5. - С. 484-488.

А5. Yu. Malkov, D. Yashunin, A. Stepanov, Conference on High Intensity Laser and attosecond science in Israel 2013, CHILI 2013 // Tel-Aviv, December 2-4 2013.

A6. A. H. Степанов, Ю. А. Мальков «Разработка диагностической методики измерения энергетического спектра электронов в лазерно-плазменной схеме ускорения», Аннотации докладов научной студенческой конференции высшей школы общей и прикладной физики ННГУ "ВШОПФ'2008" Н. Новгород: ИПФ РАН, 2008, с. 12.

А7. В. И. Еремин, В. В. Королихин, А. М. Киселев, С. А. Скобелев, А. Н. Степанов, Н. Е. Андреев, Мальков Ю. А. «Исследование параметров плазменной волны, возбуждаемой интенсивным фемтосекундным лазерным импульсом в газонаполненном диэлектрическом капилляре», Тезисы докладов XV научной школы «Нелинейные волны - 2010» Н. Новгород: ИПФ РАН, 2010, с. 80.

А8. В. И. Еремин, В. В. Королихин, А. М. Киселев, С. А. Скобелев, А. Н. Степанов, Н. Е. Андреев, Мальков Ю.А., «Лазерное возбуждение плазменных волн в капилляре», 15-я Нижегородская сессия молодых ученых, 1923 апреля 2010.

А9. V. Eremin, A. Stepanov, V. Korolikhin, A. Kiselev, S. Skobelev, N. Andreev, Yu. Malkov, "Plasma wave excitation by intense femtosecond laser pulses in gas-filled capillary tubes", 14 International conference on Laser Optic 2010, St. Petersburg, 28 June-2 - July 2010, ThR5-17.

A10. V. Eremin, A. Stepanov, V. Korolikhin, A. Kiselev, S. Skobelev, N. Andreev, Yu. Malkov, "Characterization of laser driven plasma wakefield in gas-filled capillary tubes", International conference ICONO/LAT 2010, Kazan, 2326 august, 2010, ITuJ6.

All. V. Eremin, A. Stepanov, V. Korolikhin, A. Kiselev, S. Skobelev, N. Andreev, Yu. Malkov, "Experimental characterization of plasma waves excited in gas-filled dielectric capillary tubes by intense femtosecond laser pulses", SUSSP68: Laser-Plasma Interactions and Applications, Glasgow, Scotland, 14-26 august, 2010, ITuJ6.

A12. B.B. Королихин, A. M. Киселев, A.H. Степанов, Д.А. Яшунин, Ю. A. Мальков «Исследование источника горячих электронов для инжекции в лазерно-плазменном ускорении», Тезисы докладов XVI научной школы «Нелинейные волны - 2012» Н. Новгород: ИПФ РАН, 2012, с. 94.

А13. Yu. A. Malkov, A. A. Gonoskov, А. М. Kiselev, А. N. Stepanov, D. А. Yashunin «Collimated beams of accelerated electrons generated by intense femtosecond laser pulses at grazing incidence», WeR5-12, Laser Optics 2012.

A14. Y. Malkov, A. Stepanov, D. Yashunin, L. Pugachev, P. Levashov, N. Andreev, and A. Andreev, "Optically Produced Collimated Quasimonoenergetic Electron Beams For Laser-Plasma Acceleration", CG-P.6 THU, CLEO/Europe-IQEC 2013, Munich, Germany.

А15. Yu. A. Malkov, A. N. Stepanov, D. A. Yashunin, L. P. Pugachev,

P. R. Levashov, N. E. Andreev, A. A. Andreev, Optical injector for laser

plasma acceleration of electrons, ICONO LAT 2013, Moscow, IF A4.

Литература

1. Kim H.T., Рае K.H., Cha HJ., Kim I.J., Yu T.J., Sung J.H., Lee S.K., Jeong T.M., Lee J. Enhancement of Electron Energy to the Multi-GeV Regime by a Dual-Stage Laser-Wakefield Accelerator Pumped by Petawatt Laser Pulses // Physical review letters, 2013. Т. 111 C. 165002.

2. Walker P., Bourgeois N., Rittershofer W., Cowley J., Kajumba N., Maier A., Wenz J., Werle C., Karsch S., Grüner F. Investigation of GeV-scale electron acceleration in a gas-filled capillary discharge waveguide // New Journal of Physics, 2013. T. 15 C. 045024.

3. Gaillard S., Kluge Т., Flippo К., Bussmann M., Gall В., Lockard Т., Geissei М., Offermann D., Schollmeier M., Sentoku Y. Increased laser-accelerated proton energies via direct laser-light-pressure acceleration of electrons in microcone targetsa) // Physics of Plasmas (1994-present), 2011. T. 18 C. 056710.

4. Jung D., Yin L., Gautier D., Wu H.-C., Letzring S., Dromey В., Shah R., Palaniyappan S., Shimada Т., Johnson R. Laser-driven 1 GeV carbon ions from preheated diamond targets in the break-out afterburner regime // Physics of Plasmas (1994-present), 2013. T. 20 C. 083103.

5. Popmintchev Т., Chen M.-C., Popmintchev D., Ärpin P., Brown S., Aliäauskas S., Andriukaitis G., BalCiunas Т., Mücke O.D., Pugzlys A. Bright coherent ultrahigh harmonics in the keV x-ray regime from mid-infrared femtosecond lasers // Science, 2012. T. 336 C. 1287.

6. Tajima Т., Dawson J.M. Laser Electron Accelerator //Physical Review Letters, 1979. T. 43 C. 267.

7. Ju J., Svensson K., Ferrari H., Döpp A., Genoud G., Wojda F., Burza M., Persson A., Lundh O., Wahlström C.-G. Study of electron acceleration and x-ray radiation as a function of plasma density in capillary-guided laser wakefield accelerators //Physics of Plasmas (1994-present), 2013. T. 20 C. 083106.

8. Desforges F., Hansson M., Ju J., Senje L., Audet Т., Dobosz-DufMnoy S., Persson A., Lundh O., Wahlström C.-G., Cros B. Reproducibility of electron beams from laser wakefield acceleration in capillary tubes // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 2013.

9. Nakajima K., Kawakubo Т., Nakanishi H., Ogata A., Kato Y., Kitagawa Y., Kodama R., Mima K., Shiraga H., Suzuki K. A proof-of-principle experiment of laser wakefield acceleration II Physica Scripta, 1994. Т. 1994 С. 61.

10. Mangles S.P.D., Genoud G., Bloom M.S., Burza M., Najmudin Z., Persson A., Svensson K., Thomas A.G.R., Wahlström C.G. Self-injection threshold in self-guided laser wakefield accelerators // Physical Review Special Topics -Accelerators and Beams, 2012. T. 15 C. 011302.

11. Ma Y.Y., Kavvata S., Yu T.P., Gu Y.Q., Sheng Z.M., Yu M.Y., Zhuo H.B., Liu H.J., Yin Y., Takahashi K., Xie X.Y., Liu J.X., Tian C.L., Shao F.Q. Electron bow-wave injection of electrons in laser-driven bubble acceleration // Physical Review E, 2012. T. 85 C. 046403.

12. Faure J., Rechatin C., Norlin A., Lifschitz A., Glinec Y., Malka V. Controlled injection and acceleration of electrons in plasma wakefields by colliding laser pulses // Nature, 2006. T. 444 C. 737.

13. Xu H., Yu W., Lu P., Senecha V.K., He F., Shen B., Qian L., Li R., Xu Z. Electron self-injection and acceleration driven by a tightly focused intense laser beam in an underdense plasma // Physics of Plasmas, 2005. T. 12 C. 013105.

14. Pathak V.B., Vieira J., Fonseca R.A., Silva L.O. Effect of the frequency chirp on laser wakefield acceleration // New Journal of Physics, 2012. T. 14. C. 023057.

15. Pollock B.B., Clayton C.E., Ralph J.E., Albert F., Davidson A., Divol L., Filip C., Glenzer S.H., Herpoldt K., Lu W., Marsh K.A., Meinecke J., Mori W.B., Pak A., Rensink T.C., Ross J.S., Shaw J., Tynan G.R., Joshi C., Froula D.H. Demonstration of a Narrow Energy Spread, ~0.5 GeV Electron Beam from a Two-Stage Laser Wakefield Accelerator // Physical review letters, 2011. T. 107. C. 045001.

16. Liu J.S., Xia C.Q., Wang W.T., Lu H.Y., Wang C„ Deng A.H., Li W.T., Zhang H., Liang X.Y., Leng Y.X., Lu X.M., Wang C., Wang J.Z., Nakajima K., Li R.X., Xu Z.Z. All-Optical Cascaded Laser Wakefield Accelerator Using Ionization-Induced Injection // Physical review letters, 2011. T. 107 C. 035001.

17. Ho Y.C., Hung T.S., Yen C.P., Chen S.Y., Chu H.H., Lin J.Y., Wang J., Chou M.C. Enhancement of injection and acceleration of electrons in a laser wakefield accelerator by using an argon-doped hydrogen gas jet and optically preformed plasma waveguide // Physics of Plasmas, 2011. T. 18 C. 063102.

18. Vieira J., Martins S.F., Pathak V.B., Fonseca R.A., Mori W.B., Silva L.O. Magnetic Control of Particle Injection in Plasma Based Accelerators // Physical review letters, 2011. T. 106 C. 225001.

19. Snavely R.A., Key M.H., Hatchett S.P., Cowan T.E., Roth M., Phillips T.W., Stoyer M.A., Henry E.A., Sangster T.C., Singh M.S., Wilks S.C., MacKinnon A., Offenberger A., Pennington D.M., Yasuike K., Langdon A.B., Lasinski B.F., Johnson J., Perry M.D., Campbell E.M. Intense High-Energy Proton Beams from Petawatt-Laser Irradiation of Solids // Physical Review Letters, 2000. T. 85 C. 2945.

20. Hatchett S.P., Brown C.G., Cowan T.E., Henry E.A., Johnson J.S., Key M.H., Koch J.A., Langdon A.B., Lasinski B.F., Lee R.W., Mackinnon A.J., Pennington D.M., Perry M.D., Phillips T.W., Roth M., Sangster T.C., Singh M.S., Snavely R.A., Stoyer M.A., Wilks S.C., Yasuike K. Electron, photon, and ion beams from the relativistic interaction of Petawatt laser pulses with solid targets // Physics of Plasmas (1994-present), 2000. T. 7 C. 2076.

21. Fukuda Y., Faenov A.Y., Tampo M., Pikuz T., Nakamura T., Kando M., Hayashi Y., Yogo A., Sakaki H., Kameshima T. Energy increase in multi-MeV ion acceleration in the interaction of a short pulse laser with a cluster-gas target // Physical review letters, 2009. T. 103 C. 165002.

22. Zigler A., Eisenman S., Botton M., Nahum E., Schleifer E., Baspaly A., Pomerantz I., Abicht F., Branzel J., Priebe G. Enhanced Proton Acceleration by an Ultrashort Laser Interaction with Structured Dynamic Plasma Targets // Physical review letters, 2013. T. 110 C. 215004.

23. Ferray M., l'Huillier A., Li X., Lompre L., Mainfray G., Manus C. Multiple-harmonic conversion of 1064 nm radiation in rare gases // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 1988. T. 21 C. L31.

24. Corkum P.B. Plasma perspective on strong field multiphoton ionization // Physical Review Letters, 1993. T. 71 C. 1994.

25. Sandberg R.L., Paul A., Raymondson D.A., Hadrich S., Gaudiosi D.M., Holtsnider J., Ra'anan I.T., Cohen O., Murnane M.M., Kapteyn H.C. Lensless diffractive imaging using tabletop coherent high-harmonic soft-X-ray beams // Physical review letters, 2007. T. 99 C. 098103.

26. Wôrner H., Bertrand J., Fabre B., Higuet J., Ruf H., Dubrouil A., Patchkovskii S., Spanner M., Mairesse Y., Blanchet V. Conical intersection dynamics in N02 probed by homodyne high-harmonic spectroscopy // Science 2011. T. 334 C. 208.

27. Descamps D., Lyngâ C., Norin J., L'huillier A., Wahlstrom C.-G., Hergott J.-F., Merdji H., Salières P., Bellini M., Hansch T. Extreme ultraviolet interferometry measurements with high-order harmonics // Optics letters 2000 T. 25 C. 135.

28. Lambert G., Hara T., Garzella D., Tanikawa T., Labat M., Carre B., Kitamura H., Shintake T., Bougeard M., Inoue S. Injection of harmonics generated in gas in a free-electron laser providing intense and coherent extreme-ultraviolet light // Nature physics, 2008. T. 4 C. 296.

29. Togashi T., Takahashi E.J., Midorikawa K., Aoyama M., Yamakawa K., Sato T., Iwasaki A., Owada S., Okino T., Yamanouchi K. Extreme ultraviolet free electron laser seeded with high-order harmonic of Ti: sapphire laser // Optics Express, 201 l.T. 19 C. 317.

30. Ardana-Lamas F., Lambert G., Trisorio A., Vodungbo B., Malka V., Zeitoun P., Hauri C. Spectral characterization of fully phase-matched high harmonics generated in a hollow waveguide for free-electron laser seeding // New Journal of Physics, 2013. T. 15 C. 073040.

31. Goulielmakis E., Schultze M., Hofstetter M., Yakovlev V., Gagnon J., Uiberacker M., Aquila A., Gullikson E., Attwood D., Kienberger R. Single-cycle' nonlinear optics.// Science, 2008. T. 320 C. 1614.

32. Babin A., Kartashov D., Kiselev A., Lozhkarev V., Stepanov A., Sergeev A. Ionization spectrum broadening and frequency blue-shift of high-intensity

femtosecond laser pulses in gas-filled capillary tubes // Applied Physics B, 2002. T. 75 C. 509.

33. Shin HJ., Lee D.G., Cha Y.H., Hong K.H., Nam C.H. Generation of nonadiabatic blueshift of high harmonics in an intense femtosecond laser field // Physical review letters, 1999. T. 83 C. 2544.

34. Janesick J.R. Scientific charge-coupled devices, SPIE press Bellingham, WA, 117,(2001).

Оглавление диссертации

Введение 4 I Экспериментальна установка. Фемтосекундный лазерный

комплекс тераваттного уровня 24

1.1 Блок-схема фемтосекундного лазерного комплекса 25

1.1.1 Задающий генератор 25

1.1.2 Оффнеровский стретчер 27

1.1.3 Развязка Фарадея 28

1.1.4 Регенеративный усилитель и очиститель импульсов 29

1.1.5 Схема синхронизации лазерной системы 32

1.1.6 Усилители мощности 33

1.1.7 Компрессор фемтосекундных импульсов 3 5

1.2 Характеристики выходного пучка 38

2 Ускорение электронов плазменной волной в газонаполненном капилляре 42

2.1 Оценка амплитуды плазменной волны генерируемым тераватт-ным лазерным импульсом 45

2.1.1 Описание эксперимента 45

2.1.2 Теоретическая модель и обсуждение полученных результатов 49

2.2 Разработка источника затравки быстрых электронов 53

2.2.1 Описание эксперимента 53

2.2.2 Экспериментальные результаты 58

2.2.3 Численное моделирование и выводы 64

3 Генерация высоких гармоник в газонаполненном капилляре 72

3.1 Описание эксперимента 73

3.2 Экспериментальные результаты 75

3.3 Обсуждение и сравнение с численным моделированием 78

4 Ускорение ионов в капилляре 85

4.1 Экспериментальная схема 86

4.2 Абсолютная калибровка детектора 87

4.3 Экспериментальные результаты 93

4.4 Обсуждение результатов 98 Заключение ¿Об Литература щ

Мальков Юрий Андреевич

ЛАЗЕРНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ УСКОРЕННЫХ ЧАСТИЦ И КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КАПИЛЛЯРОВ

Автореферат

Подписано к печати 17.02.2015 г. Формат 60x90 '/|б. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ №9(2015).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН 603950, г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46