Ускорение электронов и генерация коротких электромагнитных импульсов в лазерных полях релятивистской интенсивности

Глава 1. Литературный обзор

Глава 2. Динамика электрона в лазерных полях различной

конфигурации

Глава 3. Энергетический спектр и угловое распределение ускоренных электронов. Диагностика интенсивности лазерного

излучения

Глава 4. Динамика электрона в поле стоячей волны. Формирование

сжатых электронных сгустков

Глава 5. Электромагнитное излучение электрона в поле лазерного импульса. Генерация ультракоротких электромагнитных импульсов электронами сжатого сгустка, сформированного в поле стоячей

волны

Основные выводы

Литература

Список публикаций по теме диссертации



Быстрое развитие технологии CPA-лазеров (Chirped Pulse Amplification) [1] сделало доступными компактные источники

интенсивных, мощных, сверхкоротких лазерных импульсов. Связанное с разработкой метода усиления чирпированных импульсов развитие лазерных технологий позволило за последние 20 лет значительно повысить интенсивность лазерного излучения. В настоящее время интенсивность излучения достигает уровня 1022 Вт/см2 [2, 3]. Исследование

взаимодействия с веществом сверхкоротких лазерных импульсов

фемтосекундной (10'15 секунды) длительности с интенсивностями излучения до 1022 Вт/см2 является одним из основных направлений лазерной физики в настоящее время. Использование лазерных пучков указанной интенсивности представляет большой интерес для развития методов ускорения заряженных частиц (например, электронов).

При ускорении в сверхсильных полях скорость электронов приближается к скорости света, что приводит к появлению релятивистских эффектов. Определение порогового значения интенсивности лазерного излучения, при которой скорость ускоряемых электронов становится сравнимой с с, возможно при оценке массового множителя

у = yl + (p/mc)2 для свободного электрона, находящегося в поле электромагнитной волны, где р- импульс, т - масса электрона, с -скорость света. Релятивистский множитель у связан с интенсивностью электромагнитного поля I следующим образом: у = JI+T71к1, где

релятивистская интенсивность 1гс1 определяется выражением:

/;.ег = т2с3ш2/8ле2 = 1.37'1018-|1/Х,[мкм] j [Bt/cm2J, где е - величина заряда электрона, X - длина волны, со -частота излучения.



Диагностика импульсов релятивистской интенсивности является трудной задачей, измерение максимальной интенсивности лазерного импульса и поперечного размера в фокусе с достаточной точностью - ее наиболее сложная часть. Для измерения параметров лазерного импульса применяются несколько методик. Первая методика основана на измерении мощности лазерного пучка и его поперечного размера в фокусе. Измерение этих параметров затруднено и проводится с малой точностью. Другая методика основана на регистрации ионов, образующихся при взаимодействии лазерного излучения с благородными газами при многократной ионизации. Пороги ионизации для газов хорошо известны, появление определенных ионов свидетельствует о превышении интенсивности лазерного излучения определенного порога ионизации. Регистрация таких ионов является трудной задачей, точность данного метода также является недостаточной.

Большой интерес представляет изучение механизмов ускорения электронов. Было предложено несколько методов, основными из которых являются традиционные методы ускорительной техники, возникшие в 1930-х гг., ускорение при прямом взаимодействии лазерного излучения с электронами и лазерно-плазменное ускорение электронов. В связи с возникающим пробоем при превышении допустимого значения напряженности поля, под действием которого происходит увеличение энергии заряженных частиц, в традиционных ускорителях увеличение набираемой частицами энергии возможно за счет увеличения размеров ускорительных установок. Сооружение таких установок и их эксплуатация являются очень затратными. При взаимодействии электронов с лазерным излучением, для ускорения электронов до энергии, сравнимой или превышающей энергию, которую набирают частицы в традиционных ускорителях, интенсивность лазерного пучков должна быть релятивистской. В фокусе такого импульса электрон набирает релятивистскую энергию. Динамика заряженной частицы при



Выражения (2.6) и (2.7) можно использовать для анализа движения электрона при выполнении условий [108]:

Структура электромагнитных полей в условиях острой фокусировки, когда не выполняются условия (2.8), рассматривалась в [24].

2.1.3 Конфигурация полей для приближения гауссовского пучка с различными поперечными размерами.

Предположим, что лазерный пучок с гауссовским поперечным распределением интенсивности излучения (в любом сечении пучка) имеет в перетяжке два различных поперечных размера р0|| и р01 параллельно и

перпендикулярно направлению поляризации соответственно. При распространении пучка вдоль оси г зависимости поперечных размеров рп,

р± для любого значения г определяются выражениями:

где = ярщ/Л, гн± = 71 рУ /Я - соответствующие релеевские длины пучка.

Для распространяющегося вдоль оси г линейно поляризованного по оси х гауссовского пучка с двумя различными поперечными размерами выражения для полей имеют вид:

Я/рн « 2пр01 с <т.

(2.8)

(2.9)

Рі{2) = Роі+/4[