Введение к работе
1.1. Актуальность темы диссертации
В последнее время стремительное развитие лазерной техники сделало возможным генерацию сверхкоротких импульсов электромагнитной энергии с мощностью в несколько петаватт, при этом интенсивность излучения может достигать рекордных значений до 1021 Вт/см2 Динамика электрона в таком лазерном поле становится ультрарелятивистской Одновременно с интенсивным развитием лазерной техники происходит бурное развитие нанотехнологий Современные нанотехнологии позволяют получать необычные материалы с новыми свойствами, а также, производить их обработку на очень малых (нанометровых) масштабах Нанотехнологии используются в настоящее время и для получения новых лазерных мишеней Такие мишени играют важную роль в новых схемах инерциального термоядерного синтеза, новых поколений источников рентгеновского излучения итд
При падении сверхмощного лазерного импульса на лазерную мишень ионизация мишени происходит уже на переднем фронте импульса В результате основная часть импульса взаимодействует уже с плазмой, возникшей благодаря внутренней ионизации наночастиц мишени Если мишень имела нанометровую структуру, то в результате мгновенной ионизации возникает наноструктурная плазма Одним из наиболее изучаемых в последнее время объектов является наноструктурная плазма, возникающая в результате ионизации атомных кластеров [1] Такая кластерная плазма обладает рядом замечательных свойств, сочетающих в себе ряд преимуществ твердотельных мишеней (поглощает практически всю лазерную энергию, генерация быстрых частиц и т д ) и газообразных мишеней (большая глубина проникновения излучения, отсутствие поверхностных эффектов итд) Среди интересных явлений, обнаруженных в результате взаимодействия лазерного излучения с кластерной плазмой, следует отметить генерацию ионов с энергиями до нескольких МэВ, быстрых электронов, высоких гармоник и рентгеновского излучения Система, образуемая лазерным полем и кластерной наноплазмой, возникающей в результате ионизации кластера, является сложной когерентной структурой, богатой различными физическими процессами Такая структурированность является отличительной особенностью кластерной плазмы, которая и определяет аномально сильное поглощение излучения в атомных кластерах, по сравнению с соответствующей газовой мишенью Таким образом, важной темой современных исследований является изучение механизмов нагрева кластерной наноплазмы лазерным изучением
Следует отметить, что структура лазерной плазмы может определяться не только структурой мишени, но и пространственно-временным распреде-
лением лазерного поля, взаимодействующего с мишенью Дело в том, что при распространении даже в однородной плазме мощный лазерный импульс генерирует когерентные структуры солитоны, электронные вихри, нелинейные плазменные волны и т д [2] Поскольку размер таких плазменных структур, как правило, больше длины волны лазерного излучения, то для типичных экспериментальных параметров характерный размер этих микроструктур может варьироваться от микрона до сотен микрон Взаимодействие мощного лазерного излучения с такой микроструктурной плазмой вызывает большой практический интерес, поскольку поглощаемая лазерная энергия частично конвертируется в энергию быстрых заряженных частиц, образование многозарядных ионов, в энергию электромагнитного излучения в диапазоне частот, отличных от частоты падающего лазерного излучения Поскольку большинство важных процессов в плазме определяется генерируемыми когерентными структурами, то исследование поглощения и генерации электромагнитных полей в когерентных плазменных структурах является актуальной задачей
Среди важнейших приложений, в которых взаимодействие сильного лазерного поля с плазмой играет определяющую роль, следует отметить разработку плазменных методов ускорения заряженных частиц Огромные ускорители заряженных частиц уже более полувека являются фактически единственным инструментом для исследований в области физики элементарных частиц Темп ускорения в современных ускорителях ограничен техническими причинами, связанными, в частности, с разрушением материала ускорителя и пробоем из-за высокой напряженности ускоряющего поля Чтобы достичь высокой энергии ускоренных частиц, необходимо строить все более масштабные и дорогостоящие установки Например, проект Большого Адронного Коллайдера, с помощью которого предполагается обнаружить Хиггсовский бозон, предусматривает строительство 27-километрового сооружения стоимостью несколько миллиардов евро Такие проблемы, как огромные размеры и высокая стоимость ускорителей вынуждает тратить серьезные усилия на поиск новых, более компактных схем ускорения с высоким темпом ускорения
Использование плазмы является одним из способов преодоления проблем, связанных с пробоем в ускорительной системе при высоких интен-сивностях электромагнитных полей [3] Более того, возбуждая в плазме микроструктуру с разделением заряда можно генерировать значительные электрические поля Такое разделение зарядов возникает в периодической микроструктуре - плазменной волне, возбуждаемой лазерным импульсом Разделение зарядов приводит к появлению в плазменной волне продольного электрического поля, которым можно ускорять зараженные частицы Напряженность плазменного поля может на несколько порядков превосходить напряженность ускоряющего поля в стандартных ускорителях
В последние годы проводились интенсивные эксперименты, исследующие взаимодействие мощного лазерного излучения с плазмой Эти эксперименты подтвердили основные положения теории плазменных ускорителей В экспериментах с петаваттными лазерными импульсами энергия ускоренных электронов достигала 300 МэВ [4] Серьезный прорыв произошел в 2004 году, когда сразу три лаборатории объявили о генерации коротких квазимоноэнергетических сгустков ультрарелятивистских электронов в лазерной плазме [5-7] В настоящее время, наиболее распространенной моделью, описывающей генерацию квазимоноэнергитических сгустков, является модель, предполагающая переход к сильно нелинейному режиму взаимодействия лазерного импульса с плазмой [8] В таком режиме, периодическая плазменная волна, возбуждаемая позади мощного лазерного импульса, вырождается в когерентную структуру - плазменную полость, в которой отсутствуют холодные плазменные электроны Часть плазменных электронов может захватываться в такую полость и ускоряться до очень высоких энергий Следующим важнейшим достижением стала генерация в лабораторных условиях квазимоноэнергетического сгустка электронов с энергией около 1 ГэВ [9] и зарядом 50 пКл При высоких энергиях частиц в плазменных ускорителях важную роль начинают играть эффекты реакции излучения [10, 33*] и квантовые эффекты [38*]
Достаточно строгую теорию взаимодействия можно построить с помощью метода возмущений, когда интенсивность лазерного излучения не очень высока [11] Такая теория не описывает сильно нелинейный режим взаимодействия, где динамка электронов является ультрарелятивистской Высокие интенсивности лазерного излучения можно рассматривать в рамках одномерной гидродинамической модели с использованием квазистатического приближения [12] Однако даже в рамках этой модели интенсивность лазерного излучения не может превышать порогового значения, при котором происходит опрокидывание плазменной волны Это делает модель неприменимой для анализа сильно нелинейного режима Кроме этого, одномерная модель не описывает адекватно такие ключевые моменты взаимодействия, как электронная кавитация, захват электронов в плазменную волну и т д
Из-за трудностей теоретического описания взаимодействия мощного лазерного импульса с плазмой численное моделирование является важным и мощным средством как для исследования самого взаимодействия, так и для проверки теоретических результатов и интерпретации экспериментальных данных Метод частиц в ячейках (PIC, particle-in-cell) является в настоящее время наиболее эффективным методом численного моделирования взаимодействия мощного лазерного излучения с плазмой [13] К сожалению, даже этот метод требует значительных компьютерных ресурсов для моделирования полномасштабных экспериментов Для ускорения вычислений можно внести важные упрощения в численный алгоритм, воспользо-
вавшись приближенными уравнениями, следующими из теоретического анализа взаимодействия [14]
Другим важнейшим приложением исследований интенсивного взаимодействия лазерного импульса с плазмой является генерация электромагнитного излучения в труднодоступных частях спектра, и, в частности, в рентгеновской области спектра [26*, 15] Исследования на стыке различных научных дисциплин (анализ быстропротекающих процессов, визуализация и структурный анализ биологических объектов и т д), так же как индустриальные и медицинские приложения требуют все более интенсивных и компактных источников рентгеновского излучения Современные синхротроны, использующие различные магнитные системы, на сегодняшний день являются наиболее мощными источниками рентгеновского излучения Высокая стоимость и огромные размеры таких устройств являются серьезным препятствием для их широкого использования В последнее время активные исследования по разработке плазменных источников излучения ведутся и для других диапазонов частот [17*, 19*] Особенно большие перспективы имеет источник терагерцового излучения [37*] и удвоитель лазерной частоты [11*], использующий лазерную плазму Другим способом генерации электромагнитного излучения вблизи лазерной частоты является уширение спектра исходного лазерного импульса Уширения спектра импульса можно добиться в результате его компрессии Еще одним актуальным вопросом, связанным с взаимодействием мощного лазерного излучения с плазмой, является генерация сверхсильных магнитных полей, наблюдавшихся в экспериментах [16] Такие поля могут серьезно изменить характер протекания различных процессов в лазерной плазме
1.2. Цели диссертационной работы
Актуальностью темы обусловлены следующие цели диссертационной работы
Анализ различных механизмов поглощения лазерной энергии в кластерной плазме
Теоретическое описание взаимодействия релятивистски сильного лазерного импульса с плазмой
Исследование спектра излучения и динамики релятивистских электронов в плазменной полости с учетом радиационных и квантовых эффектов
Анализ различных плазменных механизмов преобразования лазерного излучения в электромагнитное излучение другого частотного диапазона и компрессии лазерного импульса
Разработка численной схемы, не требующей значительных компьютерных ресурсов, для эффективного моделирования взаимодействия лазерного импульса с плазмой.
1.3. Научная новизна диссертационной работы.
Выявлены новые механизмы поглощения лазерного излучения в кластерной плазме и проведен их анализ
Построена теория сильно нелинейного режима взаимодействия релятивистски сильного лазерного импульса с плазмой
Исследована динамика релятивистских электронов в плазменной полости с учетом радиационных и квантовых эффектов и вычислен спектр бетатронного излучения
Выявлен и изучен новый механизм генерации квазистатического магнитного поля в результате бетатронного резонанса Предложены новые эффективные плазменные схемы компрессии лазерного импульса и преобразования лазерного излучения в электромагнитное излучение в труднодоступных областях спектра
1.4. Научная и практическая значимость.
Полученные результаты, описывающие нагрев кластерной плазмы, использовались другими научными группами для анализа экспериментов [17,18] и результатов численного моделирования [19, 20] Предложенная в диссертации модель обратного тормозного поглощения сильного лазерного поля в кластерной плазме впоследствии развивались в работах других исследовательских групп [21, 22] Полученные результаты могут быть применены для исследования поглощения лазерной энергии в других типах наноструктурной плазмы [13*], в том числе, в образованных в результате ионизации пенообразных мишеней для инерциаль-ного термоядерного синтеза, наноструктурных поверхностей мишеней для генерации рентгеновского излучения и т д
Представленная в диссертационной работе полуфеноменологическая теория взаимодействия мощного лазерного импульса с плазмой в последнее время широко используется различными экспериментальными группами для анализа экспериментов [23-27] В дальнейшем теория обобщалась другими авторами [28-30]
Экспериментальное исследование предложенного в диссертационной работе компактного источника мощного рентгеновского излучения было проведено научной группой из Политехнической школы (Ecole Polytechmque), Франция [31, 15, 32] Спектр бетатронного излучения, рассчитанный в диссертационной работе, использовался разными научными группами для описания экспериментов, исследующих бетатрон-ное излучение в лазерной плазме [33-35], генерацию позитронов в плазме [36] Исследованные в диссертации радиационные и квантовые эффекты в плазменных ускорителях, становятся существенными в ускорителях при высокой энергии ускоряемых частиц
Разработанный в диссертационной работе численный код, основанный на методе частиц и использующий квазистатическое приближение, позволяет сэкономить значительное количество компьютерных ресурсов и машинного времени
Исследованные в диссертационной работе механизмы генерации электромагнитного излучения в лазерной плазме могут быть использованы для создания удвоителя частоты интенсивного лазерного излучения, источников мощного терагерцового излучения, компрессора мультите-раваттных лазерных импульсов
1.5. Апробация работы. Публикации
Диссертация была выполнена в Институте прикладной физики РАН Основные результаты диссертации опубликованы в работах [1* - 40*}, из которых 28 научных работ в виде статей в отечественных и зарубежных рецензируемых журналах
Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах в ИПФ РАН, Политехнической школе (Ecole Polytechique, Франция 1999 г, 2002 г), Принстонском Университете (США, 2000 г), в Университете Дюссельдорфа (Германия 2002 г, 2003 г, 2004 г , 2006 г), в Лаборатории синхротронного излучения (DESY, Гамбург, Германия, 2003 г ), докладывались автором на многих Всесоюзных, российских и международных конференциях В частности, это Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1995 г, 2001 г, 2003 г, 2005 г, 2006 г, 2007 г), годовая конференция по физике плазмы Европейского физического общества (2000 г, 2001 г, 2003 г, 2004 г ), годовая конференция отделения физики плазмы Американского физического общества (2000 г, 2004 г), международная конференция "Ultarmtense laser interactions and applications" (Италия, 2000 г), международная конференция "Matter m Super-Intense Laser Fields" (Испания, 2001 г ), European Conference on Laser Interaction with Matter (Москва, 2002 г.), школа НАТО "Гамильтоновы системы с тремя и более степенями свободы" (Испания, 1995 г), 28-й конференция "Annual Anomalous Absorption" (США, 1998 г.), International Conference on Phenomena in Ionized Gases (1991 г, 1993 г., 1995 г), II International Workshop Summer School on Plasma Physics (Болгария, 2006 г), "Сильные микроволны в плазме" (Н Новгород, 1991 г, 1993 г, 1999 г), XVIII International Workshop on Charged Particle Accelerators (Украина, 2005 г), "Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах", (Абхазия, 2005 г), Nonlinear Wave Phenomena (Н.Новгород, 2003 г), Frontiers of Nonlinear Physics (H Новгород, 2004 г, 2007 г), X International Conference and School on Plasma Physics and Controlled Fusion (Украина, 2004 г), "Dream beams" (Германия, 2007 г) За 2006 - 2007 гг автором представлены 2 приглашен-
ных доклада по теме диссертации на международных и российских конференциях
Структура и объем работы Диссертация состоит из семи глав (с учетом Введения и Заключения) и списка литературы Объем диссертации составляет 301 страниц, включая 50 рисунков и список литературы из 240 библиографических наименований
