Пондеромоторные силы в релятивистских и многокомпонентных полях и лазерное ускорение заряженных частиц

Бахари, Али

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

Бахари, Али АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

2004 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.21 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Пондеромоторные силы в релятивистских и многокомпонентных полях и лазерное ускорение заряженных частиц»

Автореферат диссертации на тему "Пондеромоторные силы в релятивистских и многокомпонентных полях и лазерное ускорение заряженных частиц"

На правах рукописи

Бахари Али

Пондеромоторные силы в релятивистских и многокомпонентных полях и лазерное ускорение заряженных частиц

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2004

Работа выполнена на физическом факультете Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

Таранухин Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук.

профессор Крайнев Владимир Павлович

Защита состоится 19 февраля 2004 года в 17 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2. Москва, ул. Академика Хохлова, д. 1, Корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А. Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

доктор физико-математических наук, профессор Быков Владимир Павлович

Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники РАН

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.31 кандидат физ.-мат. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Проблема взаимодействия заряженных частиц с лазерным полями большой интенсивности приобрела в последнее время большое значение в связи с созданием лазерных источников с пиковой интенсивностью 1~ 1018-1021 Вт/см2 [1,2]. 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 (пондеромоторное) 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 пондеромоторного 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 [3].

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 поляке.1»оС. ИЛЦгИ/ЛпЛЬНЛЯ

БИБЛИОТЕКА СП«гер9и» 05 100 Лет

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 [4]), 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 влияние на эволюцию заряженной частицы оказывают продольные компоненты полей лазерной волны. Помимо фундаментального интереса исследование этих механизмов имеет и значительный прикладной аспект. Недавно опубликована серия работ (см., например. [5]), в которых численно исследуется ускорение электронов в вакууме сфокусированным пучком стационарного лазерного излучения большой интенсивности 1 ~ 1021 - 1022 Вт/см2. Показана принципиальная возможность получения электронов с энергией £ ~ 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 короткими лазерными импульсами сфокусированного излучения большой интенсивности /~ 10,9- 1022 Вт/см2 и определение условий, при которых возможно ускорение электронов до энергий 6 > 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 и дана его интерпретация.

Научная и практическая значимость работы

возможностью эффективного управления заряженными частицами в таких полях и возможностью стабильного лазерного ускорения электронов до энергий е £ 1 ГэВ. что сравнимо с энергиями, достигаемыми на "больших" ускорителях типа 8ЬЛС.

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 Н-0.1 ТэВ/м.

3. Новый механизм лазерного ускорения электронов короткими лазерными импульсами (т~100фс) большой интенсивности (/-10141022 Вт/см 2) при жесткой фокусировке излучения. 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 что сопоставимо с энергиями, достигаемыми на традиционных ускорителях типа 8ЬЛС.

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 meeting'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-2004 (Москва, Россия, 2004).

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, список которых приведен в конце автореферата.

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 60 наименований, в том числе и работы автора.

Личный вклад

Все использованные в диссертации результаты получены автором лично или при его определяющем участии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность темы работы, формулируются цели диссертации, кратко охарактеризованы основные полученные результаты, их научная новизна и практическая ценность. Дана краткая аннотация каждой главы диссертации.

В первой главе диссертации, представляющей собой литературный обзор, рассмотрены особенности пондеромоторного (механического) воздействия на заряженные частицы излучения различной конфигурации: плоской бегущей волны, плоской стоячей волны, пространственно ограниченной бегущей волны. Отмечается градиентный (потенциальный) характер пондеромоторных сил в случае пространственно неоднородного излучения бегущей волны нерелятивистской интенсивности. Обсуждаются работы, направленные на обобщение теории пондеромоторных сил на случай излучения релятивистской интенсивности. В этих работах используются разные процедуры усреднения точных релятивистских уравнений движения: усреднение по фазе электромагнитных колебаний и по времени Разные процедуры усреднения приводят к разным результатам ввиду нетривиальной зависимости в релятивистском случае. Делается вывод о необходимости численного исследования эволюции заряженных частиц в лазерных пучках различной поляризации (на основе точных релятивистских уравнений движения) для установления правильной процедуры усреднения.

Обсуждаются основные методы управления заряженными частицами и лазерного ускорения электронов. Приводятся результаты соответствующих численных экспериментов, а также экспериментальных наблюдений лазерного ускорения заряженных частиц. Отмечается случайный характер ускорения и отсутствие интерпретации механизма ускорения сфокусированным излучением релятивистской интенсивности [5].

Вторая глава посвящена исследованию пондеромоторных сил в пространственно ограниченной бегущей волне релятивистской интенсивности. Приведены основные результаты приближенной теории [3], в которой используется процедура усреднения по времени и предсказывается не градиентный характер релятивистских пондеромоторных сил и их зависимость от поляризации излучения. Теория справедлива в приближении - дрейфовая скорость

электрона, с - скорость света. На основе этой- теории получены выражения для изменения дрейфовой энергии электрона в двух частных случаях: - при пересечении электроном лазерного пучка перпендикулярно направлению его распространения и - при

продольном прохождении электрона через область фокуса лазерного пучка. В обоих случаях определено изменение дрейфовой энергии электрона в биполяризационных лазерных пучках и обсуждены способы реализации таких пучков.

На основе точного релятивистского уравнения движения для классической заряженной частицы выполнены численные эксперименты по прохождению электрона через лазерные пучки различной поляризации. Установлена зависимость пондеромоторных сил от поляризации излучения релятивистской интенсивности. Получено качественное согласие результатов с аналитическими формулами для энергий Дех _ ц. Согласие улучшается с ростом интенсивности излучения и уменьшением дрейфовой скорости электрона. Это позволило сделать вывод о том, что в релятивистских полях пондеромоторные силы зависят от поляризации излучения и, в общем случае, не являются градиентными. Делается также вывод о корректности процедуры усреднения релятивистских уравнений движения по времени, а не их усреднения по фазе при котором пондеромоторные силы (в сопровождающей системе координат) от поляризации излучения не зависят [6].

В третьей главе обсуждаются пондеромоторные силы в многокомпонентных лазерных пучках. Рассмотрен, случай биполяризационной стоячей волны (раздел 3.1) и случай пересекающихся под прямым углом лазерных пучков (раздел 3.2). Для обоих случаев развита теория пондеромоторных сил в слабо неоднородных полях нерелятивистской интенсивности и произвольной поляризации. Например, для биполяризационной стоячей волны (БСВ) получено компактное выражение

С(г,Д^) = (3 + со5Д^)со5: &г + (1-со8Д??)5т2А::-5тД975т2А:: , (2)

где - пондеромоторный потенциал встречных бегущих волн.

формирующих БСВ, координаты - волновой вектор.

Пондеромоторная сила (1) является градиентной и. как и в обычной стоячей волне, зависит от координаты Однако главная особенность этой силы состоит в ее зависимости от поляризации поля, которая определяется разностью фаз встречных волн, формирующих БСВ. Так, изменению фазы Д<р = 0 соответствует ситуация при которой обе встречных волны имеют одинаковую (линейную или круговую) поляризацию, соответствует ситуации, при которой обе

поляризации линейны, но перпендикулярны друг другу (или обе волны поляризованы по кругу, но в противоположные стороны). Наконец, случай описывает ситуацию, при которой одна волна

поляризована линейно, а другая - циркулярно. Если поляризация меняется во времени: Дер = Дф(1), то система "частица-поле" становится неконсервативной и сила (1) может производить работу. Например, изменение кинетической энергии электрона при пересечении БСВ в

случае изменения разности фаз от Дф = Л до Дф — 0 определяется формулой

Ье = 2и„(2со&-кг-\) . (3)

В зависимости от начальной координаты электрона ^ при его пролете через БСВ с начальной скоростью У„ 1-к , электрон ускоряется (Де > 0), замедляется (Де < 0) или сохраняет свою скорость неизменной ( Де = 0). Интерпретация этого эффекта заключается в том, что часть БСВ, в которой обе встречные волны поляризованы одинаково (Дф = 0), представляет собой реальную стоячую волну. В том же месте, где разность фаз Дф = Л, фактически имеются две независимые бегущие волны (при этом предполагается, что изменение поляризации излучения происходит в те моменты, когда частица пересекает центральную часть лазерного пучка, где пространственный градиент интенсивности излучения отсутствует). Когда заряженная частица входит в "бегущую" часть пучка, она всегда замедляется при движении от периферии пучка к его оси. После прохождения центральной части лазерного пучка частица движется в стоячей волне. При этом (в зависимости от координаты z), частица либо ускоряется, либо ее энергия сохраняется неизменной. Последний случай можно использовать для "охлаждения" заряженных частиц.

Если же частица влетает в "стоячую" часть БСВ, то при движении к оси пучка она замедляется или сохраняет свою кинетическую энергию неизменной. После же прохождения центральной части БСВ частица ускоряется в "бегущей" части пучка. Это означает возможность "чистого" ускорения заряженных частиц (без предварительного их замедления).

Таким образом, в БСВ пондеромоторная сила может использоваться как для ускорения заряженных частиц (в том числе и "медленных"

частиц с начальной кинетической энергией Ео<< так и для их замедления ("охлаждения"). Существенно, что обмен энергией между частицей и полем происходит в адиабатическом режиме и не зависит от начальной фазы поля.

В этой главе приведены также результаты численных экспериментов (выполненных на основе решения строгих релятивистских уравнений движения) по взаимодействию электронов с БСВ как относительно слабой, так и релятивистской интенсивности. В первом случае получено хорошее согласие с разработанной теорией. В случае же БСВ релятивисткой интенсивности ускорение электронов имеет определенные особенности, отсутствующие в слабых полях. Проанализирована также возможность ускорения не единичных зарядов, а пучка заряженных частиц. Показана возможность "однородного" ускорения электронного пучка шириной порядка ширины лазерного пучка. Исследована также предельная энергия, которую электрон может получить от БСВ. Эта энергия увеличивается с ростом интенсивности излучения I. Для каждой интенсивности имеется оптимальная начальная скорость электрона которая также растет с ростом интенсивности Например, для входного ультрарелятивистского электрона

можно получить увеличение энергии электрона Это означает, что для лазерного

пучка шириной 10-50 мкм "градиент" ускорения составляет что сравнимо или больше, чем в обычных лазерных

ускорителях.

В разделе 3.2 развита теория пондеромоторных сил в поле двух лазерных пучков, пересекающихся под прямым углом. Для излучения нерелятивистской интенсивности методом итераций получено общее выражение для пондеромоторной силы. Показано, что в общем случае, эта сила не является потенциальной и зависит от поляризаций излучения обоих пучков. Проанализированы особенности этой силы в различных

частных случаях и исследована возможность ускорения зарядов при неизменных параметрах излучения. Для проверки достоверности, развитого теоретического подхода и его предсказаний выполнены численные эксперименты (на основе моделирования точных релятивистских уравнений движения электрона), которые подтвердили основные выводы теории. Численное моделирование показало также большую чувствительность изменения энергии электрона к его начальным параметрам.

В четвертой главе исследуется новый механизм лазерного, ускорения электронов короткими лазерными импульсами большой интенсивности (I- 10|ч-1022 Вт/см2) при жесткой фокусировке излучения. Выполнены численные эксперименты по ускорению электронов, распространяющихся вдоль оси лазерного пучка. В литературе (см., например, [5]) исследовано ускорение релятивистских электронов, влетающих в сфокусированный пучок стационарного излучения под углом При этом процесс ускорения фактически

является случайным, так как только при определенных углах влета и начальных скоростях электрона возможен его "захват" лазерным пучком и ускорение до энергий е — 0.1-1 ГэВ. Значение е чувствительно как к углу и скорости так и к начальной фазе поля причем контролировать с необходимой точностью параметры невозможно. Кроме того, при использовании стационарного излучения существует проблема вывода ускоренного электрона из поля. Механизм ускорения в этих работах установлен не был.

Наши численные эксперименты показали, что в "продольной" схеме ускорения с использованием импульсного излучения процесс не

чувствителен к начальной фазе поля отсутствует резкая зависимость энергии электрона от его начальной скорости а вывод ускоренного электрона из поля осуществляется автоматически после прохождения

импульса. Таким образом, преодолевается случайный характер ускорения, не требуется предварительного ускорения электрона до релятивистских скоростей и решается проблема вывода электрона из поля. Нами установлен также механизм лазерного ускорения, который определяется комбинацией пондеромоторных сил (формирующихся вследствие импульсного характера излучения) и продольной составляющей электрического поля лазерной волны, возникающей при фокусировке излучения. Установлено, что действие продольного поля на электрон может носить однонаправленный характер (рис. 1).

0 2 4 6

Рис. 1. Изменение продольного электрического поля (нормированного на амплитуду поперечной компоненты поля), действующего на электрон в процессе его взаимодействия с линейно поляризованным импульсным излучением длительностью пиковой интенсивностью /= 5 -Ю" Вт/см2 и радиусом фокусировки

- дифракционная

длина, - длина волны излучения, фокус находится в точке На

вставке показано то же изменение, но для случая, когда фазовые скорости продольных и поперечных компонент полей сфокусированного излучения искусственно взяты равными.

При этом в области порядка нескольких дифракционных длин за фокусом ускорение электрона происходит в течение многих

оптических циклов: преодолевается эффект фазового "проскальзывания", который накладывает основное ограничение на эффективность ускорения заряженных частиц лазерным излучением. Для реализации выявленного механизма (кроме большой интенсивности и малой длительности излучения) принципиальным является отличие фазовых скоростей продольной и поперечной эволюции электрона, которое возникает за счет разных фазовых скоростей продольных и поперечных компонент электромагнитных полей при фокусировке лазерных пучков.

В этой же главе выполнена оптимизация начальных параметров электрона и излучения и показано, что использование лазеров с предельными (в настоящее время) параметрами [1,2] позволяет в

лабораторных условиях ускорять электроны до энергий что

сопоставимо с энергиями, достигаемыми на "больших" ускорителях типа 8ЬАС (е ~ 30 - 50 ГэВ).

В заключении сформулированы основные результаты и выводы диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

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.

Показана возможность ускорения заряженных частиц с первоначальной кинетической энергией, существенно меньшей пондеромоторного 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 ~100 фс) сфокусированного излучения релятивистской интенсивности

1032 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. Для нового механизма лазерного ускорения выполнена оптимизация входных параметров электрона и излучения и показана возможность стабильного ускорения электронов в лабораторных

условиях до энергий что сравнимо с энергиями,

достигаемыми на больших традиционных ускорителях (типа SLAC).

Цитированная литература

1. M.D.Perry, D.Pennington, B.C.Stuart et al. Petawatt laser pulses. Opt. Lett., 24, 160-162(1999).

2. T.Tajima, G.Mourou. Superstrong field science in "Superstrong fields in plasmas", edited by M.Lontano et al. A1P Conference proceedings, 611, 423426 (Melville, New York, 2002).

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

4. P.H.Bucksbaum, M.Bashkansky, TJ.Mcllrash. Scattering of electrons by intense coherent light, Phys. Rev. Lett., 58,349-352 (1987).

5. Y.I.Salamin, G.R.Mocken, C.H.Keitel. Relativistic electron dynamics in intense crossed laser beams: Acceleration and Compton harmonics, Phys. Rev., E 67, 016501 (2003).

6. D.Bauer, P.Mulser, W.-H.Steeb. Relativisticponderomotive force, uphill acceleration, and transition to chaos. Phys. Rev. Lett., 75, 4622-4625 (1995).

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. A.Bahari, V.D.Taranukhin. Relativisticponderomotiveforces and method of laser-driven electron acceleration insensitive to field phase. InternationalQuantum Electronics Conference IQEC'2002 (Moscow, Russia, 2002), Technical Digest, p.267.

2. A.Bahari, V.D.Taranukhin. Polarization effect of ponderomotive forces and new approach to charged particle control in two-polarized standing electromagnetic wave. International Optical Congress "Optics - XXI century" (Saint-Petersburg, Russia, 2002). Сборник трудов конференции "Фундаментальные проблемы оптики" с. 124-125.

3. АБахари, В.Д.Таранухин. Пондеромоторные силы в биполяризационной стоячей волне. Научная сессия МИФИ-2003. Сборник научных трудов, том 5, с. 194 (Москва, Россия, 2003).

4. A.Bahari, E.Constant, V.D.Taranukhin. Ponderomotive forces in bipolarized standing wave. XI Conference on Laser Optics (Saint-Petersburg, Russia, 2003). Technical Program, p.70.

5. АБахари, В.Д.Таранухин. Прямое ускорение электронов интенсивным лазерным УКИ. Квантовая электроника, 33, 563-564 (2003).

6. A.Bahari, 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.

7. A.Bahari, 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.

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

9. A.Bahari, V.D.Taranukhin. Ponderomotive forces in a bipolarized standing wave. Laser Physics, 14, 113-118 (2004).

10. А.Бахари, 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).

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

Подписано в печать 13.01.2004 Формат 60x88 1/16. Объем 1.0 п. л. Тираж 100 экз. Заказ №10 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119992 г.Москва, Ленинские горы, д. 1 Главное здание МГУ, к. 102

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Бахари, Али

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 набираемой заряженной частицей при поперечном прохождении через релятивистский лазерный пучок.

2.3.1 Вывод формулы для Дех.

2.3.2 Численное исследование поперечного прохождения заряженной частицы через релятивистский биполяризационный 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 Дбц

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 полях 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 слоячей 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.

Введение диссертация по физике, на тему "Пондеромоторные силы в релятивистских и многокомпонентных полях и лазерное ускорение заряженных частиц"

Актуальность темы

Проблема взаимодействия заряженных частиц с лазерным полями большой интенсивности приобрела в последнее время большое значение в связи с созданием лазерных источников с пиковой интенсивностью / ~ 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 (иондеромоторное) 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 пондеромоториого 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 [1]. 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, [Р>-14)),в которых численно исследуется ускорение электронов в вакууме сфокусированным пучком стационарного лазерного излучения большой интенсивности I ~ 1С)"21 — 1()'22 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 з'словий 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.

3. Исследование механизма стабильного ускорения электронов коротким лазерным импульсом (г ~ 100 фс) сфокусированного излучения большой интенсивности I ~ К)19 — И)22 Вт/см2 и определение условий, при которых возможно ускорение электронов до энергий е > 1 ГэВ.

Научная новизна работы:

- 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 — И)22 Вт/см2 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 стабильно1 о лазерного ускорения электронов до энергий е > 1 ГэВ, что сравнимо с энергиями, достигаемыми на "болыпих"ускорителях типа БЬАС.

Защищаемые положения

3. Новый механизм лазерного ускорения электронов короткими лазерными импульсами (г ~ 100 фс) большой интенсивности (/ ~ 1019 — 1()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 н 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, 2004).

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.

Заключение диссертации по теме "Лазерная физика"

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 Ае от его начальной поперечной координаты хц для излучения циркулярной поляризации с /о — Ю20 Вт/см2, тц = 10А, Ц,: = 0.9с, Ц)Х — Уцу = 0,г0 = горЬ,уо = 0 (ео - энергия, соответствующая координате хо -- 0).

Заключение

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 биполяризационного излучения для ускорения заряженных частиц без эффекта бунчировки и с характерным ускорительным градиентом £ ~ 0.1 ТэВ/м. Показана возможность ускорения заряженных частиц с первоначальной кинетической энергией, существенно меньшей пондеро-моторного потенциала излучения, а также замедления частиц до "нулевых"скоростей.

4. Выполнены численные эксперименты по ускорению электронов короткими лазерными импульсами (длительностью ~ 50-100 фс) сфокусированного излучения релятивистской интенсивности I ~ 1()18 — 10'22 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 Ь'ЬАС).

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Бахари, Али, Москва

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, 611, 423 426, (Melville, New York, 2002).

2. G. A. Mourou, С. P. .1. Barty, and M. D. Perry. Ultrahigh-intensity lasers: Physics of the extreme on a tabletop. Phys. Today, 51, 22 (1998).

3. Y.I. Salamin, G.R. Mocken, and C.H. Keitel. Relativistic electron dynamics in intense crossed laser beams: Acceleration and cornpton harmonics. Phys. Rev. E, 67, 016501 (2003).

4. Y. I. Salarnin, G. R. Mockcn, and C. H. Keitel. Electron scattering and acceleration by a tightly focused laser beam. Phys. Rev. ST Accel. Beams, 5, 101301 (2002).

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, .T.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. Pondermotive forces in bipolari/ed 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 биноляризационной 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 annua] 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.Вахари 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).

21. Д.Н.Клышко. Физические основы квантовой электроники. Наука, Москва (1986).

22. А. С. Ильин, В. В. Кулагин, В. А. Черепенин. Ускорение плотных электронных сгустков фронтом мощной электромагнитной волны. ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 27, (Ж-11) 1 9 (2001).

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

24. W. L. Kruer. The physics of laser plasma interactions. Addison-Wesley, New York (1998).

25. Т. W. R. Kibble. Mutual refraction of electrons and photons. Phys. Rev., 150, 1060 1069 (1966).

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

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

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

29. F.V.Hartemann, S.N.Fochs, G.P.Le Sage, N.C.Luhmann, Jr., J.G.Woodworth, M.D.Perry, YJ.Chen, and A.K.Kerman. Nonlinear ponderomotive scattering of relativistic electrons by an intense laser Held at focus. Phys. Rev. E, 51, 4833 4843 (1995).

30. G.Malka, E. Lefebvre, and Л. L. Miquel. Experimental observation of electrons accelerated in vacuum to relativistic energies by a high-intensity laser. Phys. Rev. Lett., 78, 3314 3317 (1997).

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

32. А. В. Серов. Пропрциональная (EA) пондеромоторная сила, действующая на заряженную частицу, пересекающую неоднородную электромагнитную волну. Квантовая мектроника, 25, 197 200 (1998).

33. А. 13. Серов. Свойства действующих на заряженную частицу в неоднородной электромагнитной Волне пондеромоторных сил, пропорциональных (Ел). Квантовая электроника, 26, 179 182 (1999).

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

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

36. P. B. Corkmn. Plasma perspective on strong field mnltiphoton ionization. Phys. Rev. Lett., 71, 1994 1997 (1993).

37. 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).

38. С. I. Moore ап(1Л. P. Knauer 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).

39. 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).

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

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

42. 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).

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

44. 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).

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

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

47. M.L.James, G.M. Smith, and .I.C.Wolfford. Applied numerical method for digital computation. Harper and Row, New York (1985).

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

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

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

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

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

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

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