Взаимодействие ультракоротких релятивистски сильных лазерных импульсов с разреженной плазмой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

1 Введение.

1.1 Основные аспекты взаимодействия ультракоротких сверхсильных лазерных импульсов с разреженной плазмой.

1.2 Лазерное ускорение электронов в плазме.

1.3 Краткое содержание диссертации.

2 Описание кода, использованного для численного моделирования распространения лазерных импульсов н плазме.

2.1 Уравнение для высокочастотного поля.

2.2 Уравнения для низкочастотных (плазменных) полей.

2.3 Уравнения для частиц.

2.4 Ионы.

2.5 Замечания о структуре численной схемы.

2.6 Ускорение пробных электронов.

3 Исследование распространения ультракоротких релятивистски силп*нътх лазерных импульсов & разреженной плазме.

3.1 Ускорение фотонов плазменной волной.

3.1.1 Обзор ранее полученных результатов.

3.1.2 Ускорение фотонов в одномерном случае в стационарной плазменной волне.

3.1.3 Ускорение фотонов в одномерной нестационарной кильватерной плазменной волне.

3.1.4 Ускорение фотонов в аксиально-симметричном случае.

3.1.4.1 Аналитическая формула для сдвига частоты пробного импульса.

3.1.4.2 Численное моделирование ускорения фотонов.

3.1.5 Обсуждение результатов.

3-2 Фазовая скорость плазменной волны при резонансной модуляционной неустойчивости лазерного импульса и ускорение электронов. Релятивистская самофокусировка и автомодельные структуры лазерного импульса.

3.2.1 Фазовая скорость плазменной волны при резонансной модуляционной неустойчивости лазерного импульса.

3.2.2 Релятивистское каналирование. Автомодельные структуры лазерного импульса.

3.3 Динамика ионов в кильватерной плазменной волне, возбуждаемой коротким интенсивным лазерным импульсом в плазме.

3.3.1 Продольный импульс ионов в плазменной волне.

3.3.1.1 Основные уравнения и квазистатическое приближение.

3.3.1.2 Энергия и импульс кильватерной плазменной волны.

3.3.1.3 Численное моделирование.

3.3.1.4 Обсуждения.

3.3.2 Поперечный импульс ионов в плазменной волне.

3.3.2.1 Аналитическое описание формирования ионного канала.

3.3.2.2 Замечание о численном моделировании с помощью гидродинамического кода.

3.3.2.3 Численное моделирование формирования ионного канала и опрокидывания плазменной волны с помощью кода Wake.

3.3.2.4 Обсуждение результатов и заключение.

4 Исследование распространения коротких интенсивных лазерных импульсов в разреженной плазме в приложении к лабораторным экспериментам.

4.1 Наблюдение ускорения электронов плазменной волной, возбуждаемой ультракоротким лазерным импульсом.

4.2 Распространение лазерного импульса в плазме в режиме самомодуляции.

4.3 Ускорение электронов высокочастотным полем лазерного импульса и плазменной волной в эксперименте по лазерному ускорению электронов в плазме.

Заключение

Кратко сформулируем основные результаты, полученные в диссертации.

1. Исследовано ускорение фотонов (коротких лазерных импульсов малой интенсивности) плазменной волной, возбуждаемой коротким релятивистски сильным лазерным импульсом в разреженной плазме. Одномерное численное моделирование подтверждает существование траекторий фотонов, подобных траекториям заряженных частиц, в стационарной плазменной волне, при этом отличие обусловлено лишь дисперсией и изменением групповой скорости на длине фотона. С учетом эволюции лазерного импульса, возбуждающего плазменную волну, лишь незахваченный фотон, отстающий от плазменной волны, имеет несколько полных осцилляций частоты до истощения основного импульса. Получены аналитические выражения для сдвига фазы и частоты пробного импульса в аксиально-симметричном случае на оси системы. Численное моделирование методом частиц в ячейках показывает, что в кильватерной плазменной волне с подковообразной формой сдвиг частоты вниз более эффективен, чем вверх, если частота фотона больше частоты импульса, возбуждающего плазменную волну.

2. Исследована фазовая скорость плазменной волны в схеме ускорителя электронов с самомодуляцией лазерного импульса. Численное моделирование методом частиц показывает, что на поздней стадии самомодуляции лазерного импульса с мощностью, большей критической для релятивистской самофокусировки, в однородной плазме отличие фазовой скорости плазменной волны от групповой скорости импульса несущественно. В то же время при самомодуляции лазерного импульса в плазменном канале релятивистский фактор плазменной волны существенно меньше релятивистского фактора, соответствующего групповой скорости импульса, что приводит к существенно меньшей энергии ускоренных электронов, чем это следует из обыкновенно используем. лс оценок.

3. Получены автомодельные структуры при релятивистской самофокусировке ультракоротких лазерных импульсов в плазме. Численное моделирование методом частиц пиjвзывает, что квачистационарнь;е импульсы формируются на поздней стадии самомодулшпш доступных в лабораториях гауссовых лазерных импульсов с мощностью з среднем сечении, превышающей критическую. Плазменные волны, возбуждаемые такими импульсам!., могут быть использованы для ускорения электронов до энергий в диапазоне ГэВ.

4. Исследована динамика ионов в кильватерной плазменной волне, возбуждаемой лазерным импульсом с длительностью порядка половины плазменного периода. Исследование в рамках одномерной нелинейной двухжидкостной гидродинамической модели показывает, что позади лазерного импульса в области кильватерной плазменной волны возникает поток плазмы со средней плотностью импульса, определяемой ионами и зависящей лишь от амплитуды плазменной волны. Исследование в двумерном и аксиально-симметричном случае показывает, что пондеромоторная сила кильватерной плазменной волны приводит к формированию ионного канала в плазме. Для лазерного импульса с шириной меньше к~1 возникающий канал имеет форму кольца с максимумом ионной плотности на оси. Глубина ионного канала возрастает, пока не происходит опрокидывание плазменной волны.

5. Исследовано опрокидывание плазменной волны при формировании ионного канала пондеромоторной силой плазменной волны. Установлено, что опрокидывание происходит при равенстве локальной фазовой скорости плазменной волны и величины проекции осцилляторной скорости электронов на направление нормали к фазовому фронту. Детально проанализировано фазовое пространство электронов. После опрокидывания плазменной волны движение электронов становится многопотоковым и большая доля энергии волны переходит пучкам быстрых электронов. Полученные результаты также полезны для понимания механизма опрокидывания плазменной волны в заранее приготовленном плазменном канале.

6. Исследовано ускорение электронов кильватерной плазменной волной, возбуждаемой ультракоротким лазерным импульсом, в эксперименте в лаборатории LULI. Численное моделирование показывает, что большая доля инжектируемых электронов рассеивается поперечным электрическим полем плазменной волны. Предложено использование газовой струи для ограничения области взаимодействия и меньшего рассеяния электронов.

7. Проведено численное моделирование самомодуляции лазерного импульса в эксперименте в лаборатории LULI. Установлен характер неустойчивости импульса и получены спектры рамановского рассеяния вперед, качественно совпадающие с наблюдавшимися в эксперименте. Подтверждена незначительная роль плазменного канала при распространении импульса с мощностью больше критической для самофокусировки.

8. Исследовано ускорение электронов в эксперименте в лаборатории LOA. Численное моделирование подтверждает уменьшение максимальной энергии электронов с возрастанием плотности плазмы в эксперименте. Установлено, что играют важную роль оба механизма ускорения электронов: полем плазменной волны и напрямую полем лазерного излучения при бетатронном резонансе электронов в релятивистском плазменном канале. Продольное лазерное поле пучка замедляет электроны при бетатронном резонансе и уменьшает эффективность их ускорения.

В заключение приведем список публикаций, выполненных по теме диссертации:

• L. М. Gorbunov, P. Mora, and A. A. Solodov. "Plasma ions dynamics in a wakeficid of a short laser pulse," Phys. Rev. Lett. 86, 3332-3335 (2001).

• J. Faure, V. Malka, J.-R. Marques, F. Amiranoff, C. Courtois, Z. Najmudin, K. Krushelnick, M. Salvati, A. E. Dangor, A. Solodov, P. Mora, J.-C. Adam, and A. Heron. "Interaction of an ultra-intense laser pulse with a nonuniform preformed plasma," Phys. Plasmas 7, 3009-3016 (2000).

• L. M. Gorbunov, P. Mora, R. R. Ramazashvili, and A. A. Solodov. "Ion momentum driven by a short intense laser pulse in an underdense plasma," Phys. Plasmas 7, 375-381 (2000).

• J. Faure, V. Malka, J.-R. Marques, F. Amiranoff, C. Courtois, Z. Najmudin, K. Krushelnick, M. Salvati, A. Dangor, A. Solodov, P. Mora, J.-C. Adam, and A. Heron. "Interaction of an ultra-intense laser pulse with a plasma channel," Scientific Report of LULI 1999 (Ecole Poly technique, France, 2000, NTIS PB2000-105868), p. 30-32.

• Л, A. Solodov, P. Chessa, and P. Mora. "Simulation of photon acceleration in a plasma wake," Phys. Plasmas 6, 503-512 (1999).

• I'', Dorchies, F. Amiranoff, V. Malka, J. R. Marques, A. Modena, 1). Bernard, F. ■bir.qnet, Ph. Mine, B. Cros, G. Matthieussent, P. Mora, A. Solodov, J. Morillo, "'id Z. Najmudin. "Acceleration of injected electrons in laser wakefield experiment," I'hys. Plasmas .6, 2903-2913 (1999). F. Dorcbies, F. Amr.anoff, S. Baron, D. Bernard. B. Cros. D. Descamps, F. Jacquet, V. Malka, J. R. Marques, G, Matthieusseat, Ph. Mine, A. Modena, P. Mora, J. Morillo. Z. Najmudin, and Л. Solodov. "Electron acceleration in laser wakefiold experiment at Ecole Poiyteclmique," Laser Part. Beams 17, "299-306 (1999). A. Solodov and P. Mora. "Plasma wave phase velocity and electron acceleration in the scheme of self-modulated laser wakefield accelerator/' Scientific Report of LULI 1998 (Ecole Poiyteclmique, France, 1999, NTIS PB99-130973), p. 6-8.

• J. Faure, V. Malka, F. Amiranoff, P. Mora, and A. Solodov. "Scaling laws for electron acceleration to GeV energies by self-modulated laser wakefields," Scientific Report of LULI 1998 (Ecole Polytechnique, France, 1999, NTIS PB99-130973), p. 9-11.

• F. Dorchies, F. Amiranoff, S. Baton, D. Bernard, B. Cros, D. Descamps, F. Jacquet, V. Malka, J. R. Marques, G. Matthieussent, Ph. Mine, A. Modena, P. Mora, J. Morillo, Z. Najmudin, and A. Solodov. "Observation of electron acceleration by a plasma wake excited by a laser pulse," Scientific Report of LULI 1997 (Ecole Polytechnique, France, 1998, NTIS PB98-152515), p. 8-10.

• V. Malka, J. Faure, J. R. Marques, F. Amiranoff, J. P. Rousseau, S: Ranc, J. P. Chambaret, Z. Najmudin, B. Walton, P. Mora, and A. Solodov. "Analysis of the maximum energy of electrons produced in the self-modulated laser wake field regime," направлено в Phys. Rev. E.

• J. Faure, J.-R. Marques, V. Malka, F. Amiranoff, Z. Najmudin, B. Walton, J.-P. Rousseau, S. Ranc, A. Solodov, and P. Mora. "Study of the dynamics of Raman instabilities using chirped laser pulses," направлено в Phys. Rev. Lett.

1. Mourou and D. Umstadter, Phys. Fluids В 4, 2315-2325 (1992). 2J T. Tajima and J. M. Dawson, Phys. Rev. Lett. 43, 267-270 (1979).

2. E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall, and A. Ting, IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 252-288 (1996).

3. M. Tabak, J. Hammer, M. E. Glinsky et ai, Phys. Plasmas 1, 1626 (1994).

4. N. H. Burnett and G. D. Enright, IEEE J. Quantum Electron. 26, 1797 (1990).

5. X. F. Li, A. L'Huillier, M. Ferray, L. A. Lompre, and G. Mainfray, Phys. Rev. Lett. 39,5751-5754 (1989).

6. K. W. D. Ledingham, I. Spencer, T. McCanny et ai, Phys. Rev. Lett. 84, 8S9-902 (2000).

7. Т. E. Cowan, A. W. Hunt, T. W. Phillips et al, Phys. Rev. Lett. 84, 903-906 (2000).

8. Л. M. Горбунов и В. И. Кирсанов, ЖЭТФ 93, 509-518 (1987) Sov. Phys. JETP 66, 290-294 (1987)1.

9. Е. Esarey, A. Ting, P. Sprangle, and G. Joyce, Comments Plasma Phys. Controlled Fusion 12, 191-204 (1989).

10. W. L. Kruer, The Physics of Laser Plasma Interactions. Reading, MA: Addison-Wesley, 1988.

11. C. J. McKinstrie and R. Bingham, Phys. Fluids В 4, 2626-2633 (1992).

12. Т. M. Antonsen, Jr. and P. Mora, Phys. Rev. Lett, 69, 2204-2207 (1992).

13. Т. M. Antonsen, Jr. and P. Mora, Phys. Fluids В 5, 1440-1452 (1993).

14. С. D. Decker, W. B. Mori, and T. Katsouleas, Phys. Rev. E 50, R3338-R3341 (1994).

15. С. D. Decker, W. В. Mori, K.-C. Tzeng, and T. Katsoideas, Phys. Plasmas 3, 20472056 (1936;.17 1819 20 [2122 23 [24 [25 [26 [272829 3031

16. К. C. Tzeng, w. B. Mori, and C. D. Decker, Phys. Rev. Lett. 5S 1440-1452 (1993).

17. J. Faure, J.-R. Marques, V. Malka, F. Amiranoff, Z. IS'ajmudm, B. Walton, J.-P. Rousbeau, S. Ranc, A. Solodov, and P. Mora. !;Study of the dynamics of Raman instabilities using chirped laser pulses," направлено в Phys. Rev. Lett.

18. A. Ting, K. Krushelnick, H. R. Burris ct al., Optics Lett. 21, 1096-1098 (1996).

19. J. M. Dawson, Phys. Rev. 133, 383-387 (1956).

20. А. И. Ахиезер, P. В. Половин, ЖЭТФ 30, 915-928 (1956) Sov. Phys. JETP 3, 696-705 (1956).

21. J. B. Rosenzweig, Phys. Rev. A 38, 3634-3642 (1988).

22. T. Katsouleas and W. B. Mori, Phys. Rev. Lett. 61, 90-93 (1988).

23. А. Г. Литвак, ЖЭТФ 57, 629 (1969) Sov. Phys. JETP 30, 344 (1969).

24. C. Max, J. Arons, and A. B. Langdon, Phys. Rev. Lett. 33, 209-212 (1974).

25. G. Z. Sun, E. Ott, Y. C. Lee, and P. Guzdar, Phys. Fluids 30, 526-532 (1987).

26. A. B. Borisov, A. V. Borovskiy, О. B. Shiryaev et al, Phys. Rev. A 45, 5830-5845 (1992).

27. P. Gibbon, F. Jakober, P. Monet, and T. Auguste, IEEE Trans. Plasma Sci. 24, 343-350 (1996).

28. A. Chiron, G. Bonnaud, A. Dulieu et al, Phys. Plasmas 3, 1373-1401 (1996).

29. P. E. Young and P. R. Bolton, Phys. Rev. Lett. 77,4556-4559 (1996).

30. M. Borghesi, A. J. MacKinnon, L. Barringer, R. Gaillard, L. A. Gizzi, C. Meyer, O. Willi, A. Pukhov, and J. Meyer-ter-Vehn, Phys. Rev. Lett. 78, 879-882 (1997).

31. R. Wagner, S. Y. Chen, A. Maksimchuk, and D. Umstadter, Phys. Rev. Lett. 78, 3125-3128 (1997).

32. A. Ting, С. I. Moore, K. Krushelnick et al, Phys. Plasmas 5, 1889-1S99 (1997). С. E. Clayton, D. Gordon, K. A. Marsh et al, Phys. Rev. Lett. 81, 100-103 (1998).35} P. Sprangle, E. Esarey, and A. Ting, Phys. Rev. A 41, 4463-44G9 (1990).

33. A. Ting, E. Esarey, and P. Sprangle, Phys. Fluids В 2, 1390-1394 (1990).

34. P. Sprangle, E. Esarey, J. Krall, and G. Joyce, Phys. Rev. Lett. 69, 2200-2203 (1992).

35. M. N. Rosenbluth and C. S. Liu, Phys. Rev. Lett. 29, 701-705 (1972).

36. С. M. Tangr P. Sprangle, and R. Sudan, Phys. Fluids 28, 1974-1983 (1985).

37. C. Joshi and T. Katsouleas, Eds. New York: Amer. Inst. Phys., 63-98 (1985).

38. T. Tajima, Laser Particle Beams 3, 351-413 (1985).

39. W. B. Mori, IEEE Trans. Plasma Sci. PS-15, 88-106 (1987).

40. E. Esarey, A. Ting, and P. Sprangle, Appl. Phys. Lett. 53, 1266-1268 (1988).

41. Y. Kitagawa, T. Matsumoto, T. Minamihata et al, Phys. Rev. Lett. 68, 48-51 (1992).

42. С. E. Clayton, M. J. Everett, A. Lai et al., Phys. Plasmas 1, 1753-1760 (1994).

43. F. Moulin, F. Amiranoff, M. Laberge et al., Phys. Plasmas 1, 1318-1327 (1994).

44. С. В. Буланов, В. И. Кирсанов, А. С. Сахаров, Письма в ЖЭТФ 50, 176-178 (1989) Sov. Phys. JETP Lett. 50, 198-201 (1989)].

45. V. I. Berezhiani and I. G. Murusidze, Phys. Lett. A 148, 338-340 (1990).

46. S. V. Bulanov, I. N. Inovenko, V. I. Kirsanov, N. M. Naumova, and A. S. Sakharov, Phys. Fluids В 4, 1935-1942 (1992).

47. F. Amiranoff, S. Baton, D. Bernard, B. Cros, D. Descamps, F. Dorchies, F. Jacquet, V. Malka, J. R. Marques, G. Matthieussent, P. Mine, A. Modena, P. Mora, J. Morillo, and Z. Najmudin, Phys. Rev. Lett. 81, 995-998 (1998).

48. F. Dorchies, F. Amiranoff, V. Malka, J. R. Marques, A. Modena, D. Bernard, F. Jacquet, Ph. Mine, B. Cros, G. Matthieussent, P. Mora, A. Solodov, J. Morillo, and Z. Najmudin, Phys. Plasmas 6, 2903-2913 (1999).

49. P. Sprangle, E. Esarey, J. Krall, and G. Joyce, Phys. Rev. Lett. 69, 2200-2203 (1992).

50. E. Esarey, P. Sprangle, J. Krall, A. Ting, and G. Joyce, Phys. Fluids В 5, 2690-2697 (1993).54} J. Krai!. A. Tir.g, '6. Esarey, P. Sprargie. and G. Joyce, Ph/cs. Hew E 43, 2157-2161 Г1Я031.0П