Пондеромоторные силы в релятивистких и многокомпонентных полях и лазерное ускорение заряженных частиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

Введение

1 Обзор литературы

1.1 Пондеромоторные силы.

1.2 Управление заряженными частицами.

1.3 Лазерное ускорение заряженных частиц.

2 Пондеромоторные силы в лазерных пучках релятивистской интенсивности

2.1 Теория релятивистских пондеромоторных сил.

2.2 Способы получения биполяризационных полей.

2.3 Поляризационные исследования энергии Де1, набираемой заряженной частицей при поперечном прохождении через релятивистский лазерный пучок.

2.3.1 Вывод формулы для Аех.

2.3.2 Численное исследование поперечного прохождения заряженной частицы через релятивистский биполяризационньгй лазерный пучок. Сравнение теории и точного (численного) решения.

2.4 Поляризационные исследования энергии Дец, набираемой заряженной частицей при продольном прохождении через сфокусированный лазерный пучок релятивистской интенсивности.

2.4.1 Вывод формулы для Дец

2.4.2 Численное исследование продольного прохождения заряженной частицы через область фокуса биполяризационного лазерного пучка. Сравнение теории и точного (численного) решения.

2.5 Выводы по главе 2.

3 Пондеромоторные силы в многокомпонентных нолях лазерного излучения

• 3.1 Пондеромоторные силы в биполяризационной стоячей волне.

3.1.1 Введение, возможность реализации биполяризационной стоячей волны

3.1.2 Пондеромоторные силы в биполяризационной стоячей волне

3.1.3 Особенности ускорения заряженных частиц биполяризционной стоячей волной.

3.1.4 Численное моделирование эволюции заряженных частиц в биполяризационной стоячей волне.

3.2 Пондеромоторные силы в пересекающихся пучках лазерного излучения

3.2.1 Расчет пондеромоторных сил в пересекающихся пучках лазерного излучения.

3.2.2 Особенности ускорения заряженных частиц в пересекающихся лазерных пучках.

3.2.3 Расчет изменения энергии электрона при его движении по замкнутой траектории в пересекающихся лазерных пучках.

3.2.4 Численное моделирование эволюции заряженных частиц в пересекающихся пучках лазерного излучения.

3.3 Выводы по главе 3.

4 Ускорение электронов интенсивным коротким импульсом сфокусированного лазерного излучения

4.1 Введение.

4.2 Особенности воздействия сфокусированного лазерного поля на релятивистский электрон.

4.2.1 Электрические и магнитные поля сфокусированного излучения

1.2.2 Особенности поперечной и продольной эволюции электрона (эффект однополярности).

4.3 Результаты численных экспериментов по ускорению электронов коротким лазерным импульсом.

4.4 Оптимизация начальных параметров.

4.5 Выводы по главе 4.

Актуальность темы

Проблема взаимодействия заряженных частиц с лазерным полями большой интенсивности приобрела в последнее время большое знамение в связи с созданием лазерных источников с пиковой интенсивностью I ~ 1()18 — 102' Вт/см2 [1-3]. Такие интенсивности достигаются при генерации ультракоротких лазерных импульсов и при жесткой фокусировке излучения, когда помимо осцилляторной компоненты движения заряженных частиц существенное значение имеет их дрейф вследствие временной и пространственной неоднородности поля. Этот дрейф описывают с помощью пондеромоторных сил. Механическое (нондеромоторное) действие лазерного излучения на вещество широко используется в многочисленных приложениях: для ускорения, замедления, левитации, охлаждения и локализации, как заряженных частиц (электронов, ионов), так и нейтральных атомов, молекул и даже небольших макроскопических частиц. Во всех случаях говорят о силе светового давления, связанной с механизмом передачи импульса фотонов веществу. Конкретные же механизмы такой передачи различны. В полях большой интенсивности механизмы нондеромоториого воздействия модифицируются и полностью в настоящее время еще не изучены. В частности, практически отсутствуют поляризационные исследования пондеромоторных сил.

В сверхсильных (релятивистских) полях пондеромоторные силы приобретают новые свойства. Ранее были предсказаны вихревой характер этих сил и их зависимость от поляризации излучения [4]. Строгое доказательство этих свойств релятивистских пондеромоторных сил отсутствовало. Помимо фундаментального аспекта такое доказательство важно и для определения правильной процедуры усреднения релятивистских уравнений при описании движения заряженных частиц в электромагнитных полях. В многокомпонентных полях пондеромоторные силы становятся поляризационно-зависимыми уже при относительно небольших интенсивностях излучения. При этом неконсервативность системы "частица-поле"может быть реализована не только при изменении интенсивности излучения (серфинг-эффект [5]), но и при изменении его поляризации. Это открывает новые возможности для управления заряженными частицами в таких полях.

Новые механизмы пондеромоторного воздействия реализуются и при фокусировке интенсивного излучения, когда существенное воздействие на заряженную частицу оказывают продольные компоненты полей лазерной волны. Помимо фундаментального интереса исследование этих механизмов имеет и значительный прикладной аспект. Недавно опубликована серия работ (см., например, [П-14|),в которых численно исследуется ускорение электронов в вакууме сфокусированным пучком стационарного лазерного излучения большой интенсивности I ~ 1()21 — 1022 Вт/см'2. Показана принципиальная возможность получения электронов с энергией е ~ 1 ГэВ в лабораторных условиях. Однако механизм ускорения не был установлен и интерпретирован. Исследование этого механизма и его оптимизация позволят разработать лазерные ускорители заряженных частиц, способные конкурировать с традиционными ускорителями.

Цель диссертационной работы

Целью настоящей диссертационной работы является аналитическое и численное исследование пондеромоторных сил, действующих на заряженные частицы в лазерных пучках большой интенсивности, и определение условий эффективного управления заряженными частицами в лазерных полях различной конфигурации:

1. Численное исследование поляризационных особенностей пондеромоторных сил в бегущей волне релятивистской интенсивности и определение правильной процедуры усреднения релятивистских уравнений движения.

2. Развитие аналитической теории пондеромоторных сил в многокомпонентных лазерных пучках (в стоячей волне и пересекающихся волнах), исследование поляризационных особенностей этих сил и возможности их использования для ускорения (и замедления) заряженных частиц, нечувствительного к фазе поля.

3. Исследование механизма стабильного ускорения электронов коротким лазерным импульсом (г ~ 100 фс) сфокусированного излучения большой интенсивности I ~ 1019 — И)22 Вт/см2 и определение условий, при которых возможно ускорение электронов до энергий е > 1 ГэВ.

Научная новизна работы:

- В численных экспериментах (при решении строгих релятивистских уравнений движения) обнаружена зависимость пондеромоторных сил от поляризации излучения в бегущей волне релятивистской интенсивности.

- Впервые разработана теория пондеромоторных сил в биполяризационной стоячей волне и пересекающихся лазерных пучках.

- Установлен новый механизм ускорения электронов коротким лазерным импульсом сфокусированного излучения большой интенсивности I ~ 1019 — К)22 Вт/см'2 и дана его интерпретация.

Научная и практическая значимость работы

Научная ценность работы определяется исследованными в ней механизмами взаимодействия заряженных частиц с пространственно неоднородными полями различных конфигураций (в том числе биполяризационными полями и полями релятивистской интенсивности). Практическая же значимость определяется предсказываемой возможностью эффективногоуправления заряженными частицами в таких полях и возможностью стабильного лазерного ускорения электронов до энергий е > 1 ГэВ, что сравнимо с энергиями, достигаемыми на "болыпих"ускорителях типа БЬАС.

Защищаемые положения

1. Эффект непотенциальности пондеромоторных сил в полях релятивистской интенсивности и их зависимость от поляризации излучения.

2. Теория пондеромоторных сил в многокомпонентных лазерных пучках и особенности ускорения (замедления) заряженных частиц в биполяризационной стоячей волне и пересекающихся лазерных пучках. Возможность ускорения электронов в биполяризационной стоячей волне (без их группировки в пространственные сгустки) с градиентом £ ~ 0.1 ТэВ/м.

3. Новый механизм лазерного ускорения электронов короткими лазерными импульсами (г ~ 100 фс) большой интенсивности (/ ~ 1()19 — 1С)'22 Вт/см2) при их жесткой фокусировке. Механизм основан на однополярном воздействии продольного электрического поля лазерной волны на релятивистский электрон. Физическая причина такой однополярности заключается в различии фазовых скоростей продольных и поперечных компонент полей сфокусированного излучения. При оптимизации параметров излучения и входного электрона установленный механизм позволяет ускорение электронов до энергий е > 1 ГэВ, что сопоставимо с энергиями, достигаемыми на традиционных ускорителях типа SLAC.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на международных конференциях: International Quantum Electronics Conference IQEC'2002 (Москва, Россия, 2002), International Optical Congress "Optics - XXI century "(Санкт-Петербург, Россия, 2002), XI Conference on Laser Optics (Санкт-Петербург, Россия, 2003), OSA annual rneeting'03: Frontiers in Optics / Laser Science XIX Conference (Tucson Arizona, USA, 2003), Applications of High Field and Short Wavelength Sources X (Biarritz, France, 2003) и Научных сессиях МИФИ - 2003 (Москва, Россия, 2003), МИФИ - 2001 (Москва, Россия, 2001).

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на семинарах кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова и на семинарах по Физике многофотонных процессов Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН.

Публикации

Основные результаты диссертационной работы изложены в 11 печатных работах [15-25].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем работы: 105 страниц, включая 26 рисунков. Библиография содержит СО наименований.

4.5 Выводы по главе 4

Таким образом, мы обнаружили и объяснили новый механизм лазерного ускорения электронов. Этот механизм эффективен лишь для коротких лазерных импульсов большой ин тенсивности. Он базируется на действии как поперечных, так и продольных полей сфокусированного лазерного излучения. Причем существенную роль для процесса ускорения играет различие в фазовых скоростях поперечного и продольного движения электрона. В предложенной схеме преодолевается случайный характер ускорения, не требуется предварительного ускорения электрона до релятивистских скоростей и решается проблема с выводом ускоренного электрона из поля. Показано, что за счет этого механизма в лазерных лабораториях возможно ускорение электронов до энергий е > 1 ГэВ, что сопоставимо с энергиями, достигаемыми на "болыпих"ускорителях типа SLAC.

Рис. 4.10: Зависимости угла отклонения электрона от оси лазерного пучка Ав и энергии электрона Де от его начальной поперечной координаты хц для излучения циркулярной поляризации с /о - Ю20 Вт/см2, и>о = 10А, = 0.9с, Ц)Х — Ущ = 0,ги — гориуо = 0 - энергия, соответствующая координате = 0).

Заключение

1. Выполнены численные расчеты энергии электрона, пересекающего лазерный пучок релятивистской интенсивности. Детально исследованы зависимости дрейфовой энергии электрона от поляризации излучения. Обнаружена поляризационная зависимость пондеромоторных сил в бегущей волне пространственно неоднородного излучения релятивистской интенсивности.

Полученные результаты качественно совпадают с выводами теории, в которой использовалась процедура усреднения релятивистских уравнений по времени. Это позволяет считать, что корректной является именно такое усреднение, а не усреднение по фазе, при котором пондеромоторные силы (в сопровождающей системе координат) от поляризации излучения не зависят.

2. Развита нерелятивистская теория пондеромоторных сил в многокомпонентных полях: в лазерных пучках стоячей волны и пересекающихся лазерных пучках. Показано, что в стоячей волне пондеромоторные силы являются градиентными и зависят от поляризации излучения. Это позволяет использовать стоячую волну бигюляризационного излучения для ускорения заряженных частиц без эффекта бунчировки и с характерным ускорительным градиентом £ ~ 0.1 ТэВ/м. Показана возможность ускорения заряженных частит; с первоначальной кинетической энергией, существенно меньшей пондеро-моторного потенциала излучения, а также замедления частиц до "нулевых"скоростей.

3. Получено общее выражение для пондеромоторной силы в пересекающихся (под прямым углом) лазерных пучках нерелятивистской интенсивности. Показано, что пондеромоторные силы в этом случае не являются градиентными и зависят от поляризации излучения.

4. Выполнены численные эксперименты по ускорению электронов короткими лазерными импульсами (длительностью ~ 50-100 фс) сфокусированного излучения релятивистской интенсивности I ~ 1()18 — 1022 Вт/см2. Обнаружен и интерпретирован новый механизм лазерного ускорения электронов. Механизм основан на однополярном воздействии продольного электрического поля (возникающего при фокусировке излучения) на движение электрона в области, отстоящей от фокуса на расстоянии нескольких дифракционных длин. Установлено, что причиной такой однополярности является отличие в фазовых скоростях продольных и поперечных компонент полей сфокусированного лазерного излучения.

5. Выполнена оптимизация входных параметров электрона и излучения для нового механизма лазерного ускорения и показана возможность стабильного ускорения электронов в лабораторных условиях до энергий е > 1 ГэВ, что сравнимо с энергиями, достигаемыми на больших традиционных ускорителях (типа БЬАС).

1. T. Tajima and G. Mourou. Superstrong field science in "superstrong fields in plasmas". Edited by M.Lontano, G. Mourou, O.Svelto, T. Tajima. A IP Conference proceedings, (ill, 423 426, (Melville, New York, 2002).

2. G. A. Mourou, С. P. Л. Barty, and M. D. Perry. Ultrahigh-intensity lasers: Physics of the extreme on a tabletop. Phys. Today, 51, 22 (1998).

3. В. Д. Таранухин. Структура пондеромоторных сил, действующих на электрон в лазерных полях релятивистской интенсивности. ЖЭТФ, 117, 511 516 (2000).

4. Г'. Н. Bucksbaurri, М. Bashkansky, and T.J.McIlrash. Scattering of electrons by intense coherent light. Phys. Rev. Lett., 58, 349 352 (1987).

5. Y. I. Salarnin and C. H. Keitel. Electron acceleration by a tightly focused laser beam. Phys. Rev Lett., 88, 095005 (2002).

6. Q. Kong, Y.K. Ho, .I.X. Wang, P. X. Wang, L. Feng, and Z. S. Yuan. Conditions for electron capture by an ultraintense stationary laser beam. Phys. Rev. E, 61, 1981 1984 (2000).

7. P. X. Wang, Y. K. Ho, X. Q. Yuan, Q. Kong, N. Cao, A. M. Sessler, E. Esarey, and Y. Nishida. Vacuum electron acceleration by an intense laser. Appl. Phys. Lett., 78, 2253 2255 (2001).

8. J. X. Wang, Y. K. Ho, Q. Kong, L. J. Zhu, L. Feng, S. Scheid, and H. Hora. Electron capture and violent acceleration by an extra-intense laser beam. Phys. Rev. E, 58, 6575 6577 (1998).

9. P. X. Wang, J. F. Hua, Y.Z. Lin, and Y.K. Ho. Ponderomotive acceleration of electron by an ulterashort laser pulse. Physics Letter A, 300, 76 81 (2002).

10. A. Bahari and V. D. Taranukhiu. Pcmdermotive forces in bipolarized standing wave. Laser Physics, 14, 113 118 (2004).

11. A.Bahari and V.D.Taranukhin. Relativistic ponderomotive forces and method of laser-driven electron acceleration insensitive to field phase. International Quantum Electronics Conference IQEC'2002, (Moscow, Russia,2002), Technical Digest, p.267.

12. А.Бахари В.Д.Таранухин. Пондеромоторные силы в б и и о л я р из аци о н ной стоячей волне. Научная сессия МИФИ-2003, Сборник научных трудов, том 5, с.194 (Москва, Россия, 2003).

13. A. Bahari, Е. Constant, and V. D. Taranukhiu. Ponderomotive forces in bipolarized standing wave. XI Conference on Laser Optics (Saint Petersburg, Russia 2003), Technical Program, p.70.

14. A.Bahari, E.Constant, and V.Taranukhin. Ponderomotive forces in bipolarized standing wave. Applications of High Field and Short Wavelength Sources X (Biarritz, France 2003), Technical Digest, pp. 206-208.

15. А.Бахари В.Д.Таранухин. Пряое ускорение электронов интенсивным лазерным УКИ. Квантовая электроника, 33, 563 564 (2003).

16. А.Вахари В. Д. Таранухин. Лазерное ускорение электронов в вакууме до энергий ~ 109 эВ. Квантовая электроника, 34, (№: 2) (2004).

17. A.Bahari and V.D.Taranukhin. Gev-acceleration of electron by superintense ultrashort laser pulse. Frontiers in Optics/Laser Science XIX Conference (Tucson Arizona, USA, 2003), OSA annual meeting'03. Abstracts MV109.

18. A. Bahari and V. Taranukhin. Gev-acceleration of electron by superintense ultrashort laser pulse. Applications of High Field and Short Wavelength Sources X (Biarritz, France, 2003), Technical Digest, pp.203-205.

19. А.Бах-ари В.Д.Таранухин. Ускорение релятивистского электрона импульсом сфокусированного лазерного излучения большой интенсивности. Научная сессия МИФИ-2004> Сборник научных трудов, том 5, с.211 (Москва, Россия, 2004).

20. D.Bauer, P. Mulser, and W.-H. Steeb. Relativistic ponderomotive force, uphill acceleration, and transition to chaos. Phys. Rev. Lett., 75, 4622 4625 (1995).27| Д.Н.Клышко. Физические основы квантовой электроники. Наука, Москва (1986).

21. А. С. Ильин, В. В. Кулагин, В. А. Черененин. Ускорение плотных электронных сгустков фронтом мощной электромагнитной волны. ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 27, (№: 11) 1 9 (2001).

22. А. В. Талонов, М. А. Миллер. Потенциальные ямы для заряженных частиц в высокочастотном электромагнитном поле. ЖЭТФ, 34, 242 243 (1958).

23. W. L. Kruer. The physics of laser plasma interactions. Addison-Wesley, New York (1998).31J Т. W. П. Kibble. Mutual refraction of electrons and photons. Phys. Rev., 150, 1060 1069 (1966).

24. Д. P. Битук M. В. Федоров. Релятивистские пондеромоторные силы. ЖЭТФ, 116, 1198 1209 (1999).

25. S. P. Goreslavsky and N. В. Narozfmy. Ponderomotive scattering at relativistic laser intensities. ,/. Nonlinear Optical Physics and Materials, 4, 799 815 (1995).

26. Brice Quesiiel and Patrick Mora. Theory and simulation of the interaction of ulteraintense laser pulse with electrons in vacuum. Phys. Rev. E, 58, 3719 3732 (1998).

27. A. V. Serov. A ponderomotive force proportional to E"1 acting on a charged particle traversing a nonuniform electromagnetic wave. Laser Physics, 7, 1190 1193 (1997).

28. А. В. Серов. Пропрциональиая (EA) поидеромоторная сила, действующая на заряженную частицу, пересекающую неоднородную электромагнитную волну. Квантовая электроника, 25, 197 200 (1998).

29. А. О. Серов. Свойства действующих на заряженную частицу в неоднородной электромагнитной Волне пондеромоторных сил, пропорциональных (Ел). Квантовая электроника, 26, 179 182 (1999).

30. А. В. Серов. Пондеромоторная неградиентная сила, действующая на релятивистскую частицу, пересекающую неоднородную электромагнитную волну. ЖЭТФ, 119, 27 34 (2001).

31. С. I. Moore, A. Ting, S. Л. McNaught, J. Qiu, Н. R. Burris, and P. Sprangle. A laser-accelerator injector based on laser ionization and ponderoinotive acceleration of electrons. Phys. Rev. Lett., 82, 1688 1691 (1999).

32. P. B. Corknm. Plasma perspective on strong field multiphoton ionization. Phys. Rev. Lett., 71, 1994 1997 (1993).

33. Y. C. Huang and Byer R. L. A proposed high-gradient laser-driven electron accelerator using crossed cylindrical laser focusing. Appl. Phys. Lett., 69, 2175 2177 (1996).

34. С. I. Moore aiul.I. P. Knaner and D. D. Meyerhofer. Observation of the transition from thomson to cornpton scattering in multiphoton interactions with low-energy electrons. Phys. Rev. Lett., 74, 2439 2442 (1995).

35. D. D. Meyerhofer, Л. P. Knauer, S.I.Naught, and С. I. Moore. Observation of relativistic mass shift effects during high-intensity laser-electron interactions. ./. Opt. Soc. Am. B, 13, 113 117 (1996).

36. Marian O. Scully and M.S.Zubairy. Simple laser accelerator: Optics and particles dynamics. Phys. Rev. A, 44, 2656 2663 (1991).

37. M.O.Scully and M.S.Zubairy. Acceleration of particles by an asymmetric hermite-gaussiaii laser baem. Phys. Rev. A, 46, 6640 6653 (1992).

38. E. Constant, V. D. Taranukhin, A. Stolow, and P. B. Corkum. Methods for the measurement of the duration of high-harmonic pulses. Phys. Rev. A, 56, 3870 3878 (1997).

39. Y. R. Shen. The Principles of Nonlinear Optics. Wiley, New York (1984).

40. А. Л. Duncan, A. Finch, and W. Sibbet. The effect of optically active devices on the polarization properties of ultrashort pulses. ./. Phys. B: Mol. Opt. Phys., 23, 611 618 (1990).

41. O. Tcherbakoff, E. Mei'vel, D. Descamps, Л. Plumridge, and E. Constant. Time-gated high-order harmonic generation. Phys. Rev. A, 68, 043804 (2003).

42. Richard L.Burden, J.Douqlas Faires, and Albert C. Reynolds. Numerical analysis. Prindle and Weber and Schmidt, Boston (1989).

43. M.L.James, G.M. Smith, and .I.C.Wolfford. Applied numerical method for dif/ital computation. Harper and Row, New York (1985).

44. H. A. Hans. Waves and Fields in Optoelectronics. Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey (1984).

45. L. W. Davis. Theory of electromagnetic beams. Phys. Rev. A, 19, 1177 1179 (1979).

46. Л. Д. Ландау E. M. Лифшиц. Теория поля. Наука, Москва (1988).

47. F. F. Chen. Introduction to plasma physics. Plenum Press, New York (1974).

48. M. Laberge and P. A. Belanger. Acceleration of electrons in vacuum by two laser beams. Can. J. Phys., 64, 1492 1495 (1986).

49. Melvin Lax, William H. Louisell, and William B. McKnight. From maxwell to paraxial wave optics. Phys. Rev. A, 11, 1365 1370 (1975).

50. E. S. Saracliik and G. T. Schappert. Classical theory of the scattering of intense laser radiation by free electrons. Phys. Rev. D, 1, 2738 2753 (1970).