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

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 частитс 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).