Введение к работе
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 поля^.роС ІіАЦііиІііиіЬНАЯ
БИБЛИОТЕКА СПстербЮ 1)9 КО Лет
В многокомпонентных полях пондеромоторные силы становятся по ляризационно-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 / ~ 1021 - 1022 Вт/см2. Показана принципиальная возможность получения электронов с энергией е ~ 1 ГэВ в лабораторных условиях. Однако механизм ускорения не бьш 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 правилвной процедурві усреднения релятивистских уравнений движения.
Развитие аналитической теории пондеромоторнвк сил в многокомпонентных лазернвгх пучках (в стоячей волне и пересекающихся волнах), исследование поляризационнвгх особенностей этих сил и возможности их исполвзования для ускорения (и замедления) заряженнвгх частиц, нечувствителвного к фазе поля.
Исследование механизма стабилвного ускорения электронов короткими лазернвгми импулвсами (т ~ 100 фс) сфокусированного излучения болвшой интенсивности /~10,9-Ю22 Вт/см2 и определение условий, при которвгх возможно ускорение электронов до энергий
е > 1 ГэВ.
Научная новизна работы:
- В численнвгх экспериментах (при решении строгих релятивистских
уравнений движения) обнаружена зависимоств пондеромоторнвгх сил от
поляризации излучения в бегущей волне релятивистской интенсивности.
Вперввіе разработана теория пондеромоторнвк сил в биполяризационной стоячей волне и пересекающихся лазернвгх пучках.
- Установлен новвгй механизм ускорения электронов коротким
лазернвгм импулвсом сфокусированного излучения болвшой
интенсивности / ~ 10 * - 1022 Вт/см и дана его интерпретация.
Научная и практическая значимость работы
Научная ценноств работві определяется исследованнвгми в ней механизмами взаимодействия заряженнвгх частиц с пространственно неоднороднвіми полями различнвгх конфигураций (в том числе биполяризационнвгми полями и полями релятивистской интенсивности). Практическая же значимоств определяется предсказвшаемой
возможностью эффективного управления заряженными частицами в таких полях и возможностью стабильного лазерного ускорения электронов до энергий е к. 1 ГэВ. что сравнимо с энергиями, достигаемыми на "больших" ускорителях типа SLAC.
Защищаемые положения
Эффект непотенциальности пондеромоторных сил в ПОЛЯХ релятивистской интенсивности и их зависимость от поляризации излучения.
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.
Новый механизм лазерного ускорения электронов короткими лазерными импульсами (т~100фс) большой интенсивности (/-1019-
1022 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 Е й; 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 IQEC2002 (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.
