Генерация быстрых электронов и аттосекундных импульсов коротковолнового излучения при взаимодействии сверхинтенсивного лазерного излучения с наноструктурированными мишенями и тонкими пленками

Актуальность темы

.

Одним из наиболее значительных достижений современной оптики безусловно является внедрение в экспериментальную практику компактных лазерных систем, позволяющих получать сверхкороткие световые импульсы с интенсивностями более О Л.

10 Вт/см [1]. На основе концепции параметрического усиления чирпированных импульсов в настоящее время получены лазерные импульсы с рекордными значениями мощности (до десятков тераватт [2,3]) при рекордно высоком значении контраста импульса (З'Ю11 по интенсивности [4]) и ультракороткой длительности, включающей только несколько оптических колебаний [2]. Развитые технологии достижения высокого пространственного качества лазерного пучка с помощью деформируемых зеркал позволяют фокусировать мощное излучение в пятно диаметром несколько микрон и 9 обеспечивают, таким образом, интенсивности порядка 10 Вт/см [5]. Для характеристики интенсивности сверхсильного лазерного излучения удобно использовать безразмерный параметр, а = еЕ/тт0, где е, т — заряд и масса электрона, Е, соо — амплитуда электрического поля световой волны и несущая частота, с — скорость света. При этом.

2 2 интенсивность светового поля можно выразить как 1=а 1рел, где 1рел = сГ&тг{тШ (/ё) ~.

1.37−1018-(Цмкм])" 2 Вт/см2 — релятивистская интенсивность. При этой интенсивности амплитудное значение кинетической энергии электрона, который до взаимодействия с Л лазерным полем был неподвижен, достигает значения тс /2. Развитие техники генерации высокоинтенсивных лазерных импульсов сделало возможным проведение лабораторных экспериментов по взаимодействию излучения с веществом в субрелятивистском {а порядка 0.1) и релятивистском {а порядка и более 1) режимах. Передовые лазерные технологии позволяют надеяться на скорое осуществление подобных экспериментов в ультрарелятивистском (а «1) режиме.

Взаимодействие мощных сверхкоротких лазерных импульсов с плазмой, формирующейся на поверхности конденсированных мишеней, является в настоящее время предметом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований, направленных на изучение свойств вещества в экстремальном состоянии и создание эффективных компактных источников высокоэнергетичных — быстрых — частиц и сверхкоротких рентгеновских импульсов. Взаимодействие интенсивного ультракороткого высококонтрастного лазерного импульса с закритической плазмой1, индуцированной передним фронтом импульса и обладающей резким профилем плотности, приводит к формированию наиболее коротких импульсов рентгеновского излучения (как когерентного, так и некогерентного) и ионов с наибольшими энергиями.

Лазерно-плазменная генерация быстрых частиц открывает оптике пути в традиционные прикладные сферы ядерной науки и физики высоких энергий, наиболее актуальной из которых является терапия раковых заболеваний с использованием пучков быстрых протонов. Формирование высокоэнергетичных электронов в лазерно-индуцированной плазме является важнейшим элементом технологии быстрого поджига инерциального термоядерного синтеза. Успех этих и многих других приложений во многом зависит от понимания механизмов разогрева частиц в закритической плазме с резкой границей. Очень важен вопрос о направлении распространения быстрых электронов и ионов и их пространственных распределениях. Движение быстрых электронов у поверхности и внутри мишени порождает различные как коллективные когерентные (возникновение амбиполярного поля, генерация гармоник высокого порядка), так и столкновительные некогерентные (тормозное излучение рентгеновских волн) явления.

В субрелятивистском режиме взаимодействия света с приповерхностной плазмой существеннейшим препятствием для формирования и разогрева быстрых электронов является низкая эффективность поглощения света в плотной высокотемпературной плазме. При интенсивностях лазерного импульса свыше 1016 Вт/см2 (но ниже 1018 Вт/см2) большая часть энергии падающего излучения отражается от плотной плазмы. Для повышения эффективности поглощения применяют тонкие пленки, а также мишени различного атомного состава и различной объемной и поверхностной структуры. Увеличение эффективности разогрева плазмы можно обеспечить путем модификации приповерхностного слоя плотной мишени. В экспериментах по облучению мишеней из высокопористого кремния [6−8] было зарегистрировано существенное повышение эффективности генерации жесткого некогерентного рентгеновского излучения по сравнению с однородными мишенями. Теоретическое объяснение увеличения эффективности поглощения субрелятивистских фемтосекундных лазерных импульсов в высокопористых мишенях необходимо для целого ряда практических приложений, а.

1 Критическая плотность пс = со?? отМле2 — плотность плазмы, при которой частота падающего света равна плазменной частоте также представляет самостоятельный интерес для исследования механизмов поглощения света в плазме твердотельной плотности.

• о | е.

Получение аттосекундных (с длительностью в диапазоне 10' -10″ с) импульсов (АИ) электромагнитного излучения — одна из актуальных задач лазерной физики и нелинейной оптики [9]. Объект пристального внимания фундаментальной науки, АИ представляют значительный интерес как наиболее чувствительный инструмент диагностики сверхбыстрых процессов [10], позволяющий исследовать динамику электронов в атомах и молекулах с субнанометровым и субфемтосекундным разрешением. К настоящему времени, теоретически проанализированы и экспериментально реализованы методы получения АИ, основанные на генерации когерентного коротковолнового излучения при ионизации и последующей рекомбинации атомов в интенсивных лазерных пучках [11,12]. В эксперименте получены как цуги АИ [13], так и одиночные аттосекундные вспышки электромагнитного излучения [11,14]. К сожалению, эффективность генерации коротковолнового излучения атомами ограничена и очень мала даже при обеспечении условий фазового согласования. В связи с созданием лазерных систем, генерирующих поля с интенсивностью вплоть до 10 Вт/см [1], особенно актуальным становится иной путь получения широкого спектра когерентного излучения (и, тем самым, короткого импульса), обеспечивающий высокую эффективность нелинейно-оптического преобразования, — нелинейное взаимодействие сверхсильного светового поля с закритической плазмой [15].

Аналитическое описание взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов с плотной, в том числе пространственно неоднородной плазмой чрезвычайно сложно и до сих пор не проводилось, в то же время эффективными в данном контексте являются методы численного моделирования. В настоящей работе проведены численные исследования взаимодействия мощных сверхкоротких световых импульсов с плазмой, образующейся на поверхности конденсированных, в том числе нанопористых, мишеней и в тонких пленках. Для этого применялся метод частиц в ячейках (рагйс1е-т-се11) [16−20], усовершенствованный с целью учета кулоновских столкновений между частицами, что особенно важно в режиме субрелятивистских интенсивностей света.

Цели работы:

1. Исследование генерации быстрых электронов при облучении плотных сред фемтосекундными импульсами в субрелятивистском и релятивистском режимах взаимодействия. Изучение пространственных распределений электронов, генерируемых в приповерхностной плотной плазме фемтосекундными импульсами субрелятивистской и релятивистской интенсивности. Исследование влияния жесткой фокусировки пучка на генерацию быстрых электронов.

2. Исследование поглощения короткого светового импульса в плазме твердотельной плотности и влияния пористой структуры мишени на эффективность ее разогрева в субрелятивистском режиме взаимодействия. Оценка вкладов различных механизмов разогрева электронов плазмы и поиск новых механизмов.

3. Исследование возможности получения изолированных (во времени) аттосекундных рентгеновских импульсов при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса релятивистской интенсивности с тонким плазменным слоем твердотельной плотности. Изучение возможности генерации одиночных АИ в плосковолновой геометрии и в режиме жесткой фокусировки лазерного излучения.

Научная новизна.

1. Предложена схема генерации аггосекундных рентгеновских импульсов при воздействии сверхкоротким высокоинтенсивным лазерным импульсом на плотную плазму с резким профилем плотности. Показано, что скачкообразное разрушение плазменного слоя в процессе взаимодействия сверхкороткого ультрарелятивистского лазерного импульса с тонкой (по сравнению с длиной волны света) свободновисящей пленкой обусловливает возможность эффективной генерации одиночных аттосекундных рентгеновских импульсов как в плосковолновой геометрии, так и в режиме жесткой фокусировки лазерного излучения.

2. Продемонстрировано увеличение эффективности поглощения света в высокотемпературной плотной плазме с наномасштабными неоднородностями по сравнению с эффективностью поглощения света в плоской мишени. Показано, что ключевую роль в возрастании температуры и количества «быстрых» электронов играет рост эффективной частоты необратимых процессов взаимодействия быстрых электронов с неоднородным электромагнитным полем вблизи неоднородностей, т. е. увеличение частоты столкновений электронов с поверхностью вещества.

3. Впервые исследован механизм двухфотонного резонансного поглощения энергии релятивистского лазерного импульса в закритической плазме при нормальном падении. Обнаружено, что с увеличением интенсивности диапазон плотностей плазмы, при которых поглощение эффективно, расширяется и смещается в область более высоких плотностей.

4. Исследованы пространственные распределения быстрых электронов, генерируемых в приповерхностной плотной плазме фемтосекундными импульсами субрелятивистской и релятивистской интенсивности. Продемонстрирована генерация коллимированного пучка быстрых электронов, распространяющегося вдоль направления отражения света.

Практическая ценность.

1. Развиты методы численного моделирования взаимодействия сверхинтенсивного лазерного излучения с приповерхностной плазмой твердотельной плотности, в том числе пространственно неоднородной.

2. Предложена схема генерации одиночного аттосекундного рентгеновского импульса при воздействии интенсивным высококонтрастным лазерным импульсом на тонкую пленку. Показано, что при правильной постановке эксперимента в этом случае могут быть получены АИ с длительностями порядка десяти аттосекунд.

3. Продемонстрирована перспективность использования нанопористых мишеней для увеличения эффективности разогрева плазмы твердотельной плотности.

Разработанные алгоритмы и компьютерные программы двумерного численного моделирования взаимодействия лазерных импульсов с приповерхностной плазмой методом частиц в ячейке могут быть использованы для исследования генерации быстрых частиц и коротких рентгеновских импульсов когерентного излучения при взаимодействии интенсивных лазерных пучков и импульсов с конденсированными средами.

Результаты проведенных расчетов могут быть использованы для оптимизации параметров эксперимента по взаимодействию сверхинтенсивного лазерного излучения с твердыми, в том числе наноструктурированными, мишенями и тонкими пленками.

Личный вклад автора.

Результаты диссертационной работы получены автором лично. Автором разработан способ моделирования взаимодействия сверхинтенсивного лазерного излучения с приповерхностной плазмой твердотельной плотности (в том числе пространственно неоднородной) на основе метода частиц в ячейках. Автором проводились все расчеты, изложенные в оригинальных главах диссертации, и осуществлялась интерпретация полученных результатов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Эффективность поглощения субрелятивистских световых импульсов с длительностью порядка ста фемтосекунд в высокотемпературной плазме, образующейся на поверхности нанопористых мишеней, значительно (по крайней мере, вдвое) превосходит эффективность поглощения в плазме, образующейся на поверхности однородной мишени. Присутствие наномасштабных неоднородностей (обусловленных наличием пор в мишени) в приповерхностной плазме, облучаемой фемтосекундным импульсом, приводит к росту количества «быстрых» электронов, существенному повышению их средней энергии и незначительному увеличению средней энергии «тепловых» электронов.

2. В плазме, образованной субрелятивистским фемтосекундным лазерным импульсом на поверхности однородной мишени, «быстрые» электроны в основном находятся в области короны, а их распределение по энергиям сильно анизотропно, в то время как «тепловые» электроны находятся в области высокой плотности и их распределение по энергиям почти изотропно. В плазме с наномасштабными неоднородностями в области высокой плотности присутствуют как «тепловые», так и «быстрые» электроны, их распределения по энергиям почти изотропны.

3. При наклонном падении фемтосекундного импульса с релятивистской интенсивностью на закритическую плазму с резкой границей формируется пучок «быстрых» электронов, распространяющийся вдоль направления отражения света.

4. При нормальном падении лазерного импульса релятивистской интенсивности на плазму с плотностью около четырех критических доминирующим механизмом генерации быстрых электронов является возбуждение электронных плазменных волн на удвоенной частоте поля. Зависимость коэффициента поглощения от плотности плазмы носит резонансный характер. С увеличением интенсивности резонанс смещается в область более высоких плотностей, а его ширина растет.

5. При облучении тонкого (по сравнению с длиной волны света) плазменного слоя твердотельной плотности сверхкоротким ультрарелятивистским лазерным импульсом имеют место быстрые квазипериодические движения частиц плазмы, которые приводят к генерации когерентного коротковолнового излучения с широким спектром, содержащим сплошные участки. Выделение ограниченных участков в спектрах как отраженного, так и прошедшего сквозь плазменный слой света с помощью полосового фильтра позволяет получать интенсивные одиночные электромагнитные импульсы аттосекундной длительности (вплоть до нескольких атгосекунд).

Апробация работы и публикации.

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались автором на следующих общероссийских и международных научных конференциях:

Вторая международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2001» (Санкт-Петербург, Россия, 2001), международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO 2005 (Санкт-Петербург, Россия, 2005), международный симпозиум по актуальным проблемам нелинейной волновой физики NWP-2003 (Нижний Новгород, Россия, 2005). международный симпозиум по актуальным проблемам нелинейной волновой физики NWP-2005 (Санкт-Петербург — Нижний Новгород, Россия, 2005), 4-ый итало-российский симпозиум по проблемам лазерной физики и технологий ITARUS 2001 (Санкт-Петербург, Россия, 2001), 5-ый итало-российский симпозиум по проблемам лазерной физики и технологий ITARUS 2003 (Москва, Россия, 2003), 12-ый международный симпозиум по лазерной физике LPHYS'2003 (Гамбург, Германия, 2003), 13-ый международный симпозиум по лазерной физике LPHYS'2004 (Триест, Италия, 2004), XXXII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, (Россия, Звенигород, 2005), 14-ый международный симпозиум по лазерной физике LPHYS'2005 (Киото, Япония, 2005), Третья международная конференция по сверхсильным полям в плазме (Варенна, Италия, 2005), 15-ый международный симпозиум по лазерной физике LPHYS'2006 (Лозанна, Швейцария, 2006).

Кроме того, результаты работы неоднократно докладывались на семинаре по физике многофотонных процессов Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН и на семинаре Физического института им. П Н. Лебедева РАН.

По материалам диссертации опубликовано пятнадцать печатных работ: две статьи в реферируемых журналах «Письма в ЖЭТФ» и «Квантовая электроника» и тринадцать публикаций в сборниках трудов конференций. Список публикаций автора приведен в конце диссертации.

Структура и объем диссертации

.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, четырех приложений и библиографии. Объем работы составляет 118 страниц, включая 43 рисунка. Библиография содержит 116 наименований.

выводы.

1. Показано, что эффективность поглощения фемтосекундных (50 — 200 фс) световых импульсов субрелятивистской интенсивности (1016−5-1017 Вт/см2) в плотной плазме, образующейся на поверхности наноструктурированных мишеней с высокой пористостью, существенно (по крайней мере, вдвое) превосходит эффективность поглощения в плазме плоской однородной мишени. Наличие наномасштабных пространственных неоднородностей существенно влияет на характер разогрева электронов и ионов плазмыв частности, средняя энергия и количество быстрых электронов при облучении неоднородной плазмы оказываются существенно выше, чем в случае однородной плазмы той же плотности.

2. Показано, что увеличение эффективности нагрева фемтосекундной лазерной плазмы на поверхности наноструктурированных мишеней и генерации быстрых электронов по сравнению с однородной плотной плазмой плоских мишеней обусловлено понижением средней плотности плазмы и значительным увеличением площади поверхности раздела «плазма-вакуум». Ключевую роль в возрастании средней энергии и количества быстрых электронов играет рост эффективной частоты необратимых процессов взаимодействия быстрых электронов с неоднородным электромагнитным полем вблизи границы пор (т.е. увеличение частоты столкновений электронов с поверхностью вещества).

3. Показано, что в плазме, образованной субрелятивистским фемтосекундным лазерным импульсом на поверхности однородной мишени, «быстрые» электроны в основном находятся в области короны, а их распределение по энергиям сильно анизотропно, в то время как «тепловые» электроны находятся в области высокой плотности и их распределение по энергиям почти изотропно. В плазме с наномасштабными неоднородностями в области высокой плотности присутствуют как «тепловые», так и «быстрые» электроны, их распределения по энергиям почти изотропны.

При наклонном падении фемтосекундного импульса релятивистской интенсивности наблюдается также направленная эмиссия быстрых электронов вдоль направления отражения импульса. При нормальном падении жестко сфокусированного (диаметр пучка в перетяжке менее 8 длин волн света) лазерного излучения релятивистской интенсивности на поверхность закритической плазмы максимальная энергия быстрых электронов увеличивается с уменьшением диаметра пучка, что обусловлено наличием продольной составляющей электрического поля в пучке.

При нормальном падении лазерного импульса релятивистской интенсивности доминирующим механизмом генерации быстрых электронов в плотной плазме в условиях пониженной средней плотности является резонансное возбуждение электронных плазменных волн на частотах близких к удвоенной частоте поля, т. е. в области плазмы с плотностью около 4пс. Резонанс поглощения энергии падающего излучения при этом довольно широк, при интенсивности лазерного импульса 1 = 4−1017 Вт/см2 в области плотности плазмы около 1пс коэффициент поглощения оказывается лишь вдвое меньше резонансной величины. С увеличением интенсивности резонансная кривая уширяется и сдвигается в область более высоких плотностей плазмы.

4. Показано, что при взаимодействии сверхкороткого релятивистского лазерного импульса с тонкой (по сравнению с длиной волны света) свободновисящей пленкой возможна эффективная генерация одиночных аттосекундных рентгеновских импульсов как в плосковолновой геометрии, так и в режиме жесткой фокусировки лазерного излучения. Быстрые непериодичные движения частиц тонкого плазменного слоя в течение взаимодействия с предельно коротким ультрарелятивистским лазерным импульсом приводят к формированию широкого, частично сплошного спектра когерентного излучения. Выделение ограниченных участков в спектрах как отраженного, так и прошедшего сквозь слой света с помощью полосового фильтра позволяет получать интенсивные изолированные электромагнитные импульсы аттосекундной длительности (вплоть до нескольких аттосекунд). На оси времени одиночный АИ строго привязан к узлу отраженного (или прошедшего) поля, ближайшему к моменту разрушения пленки. Интенсивность одиночных АИ достигает 1% интенсивности возбуждающего света. При жесткой фокусировке лазерного пучка расходимость АИ, выделенного с помощью фильтрации, определяется ширинами пространственных распределений модулей спектральных амплитуд на частотах внутри окна фильтрации (то есть размером пятна, в котором генерируются высокие частоты), а не распределениями фаз высоких гармоник.

В заключение выражаю свою самую искреннюю и глубокую благодарность моему научному руководителю Виктору Трифоновичу Платоненко, а также аспирантам и сотрудникам кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова.