Введение к работе
В настоящее время активно разрабатывается теория взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом. Это вызвано, прежде всего, резким повышением мощности современных короткоимпульсных лазерных установок, позволяющих получать поля, в которых релятивистская поправка к массе электрона во много раз превышает массу покоя частицы. С другой стороны, этому способствуют доступность и чрезвычайно возросшее за последние десять лет быстродействие компьютеров (в том числе, и персональных), позволяющих качественно и эффективно проводить численное моделирование даже с помощью метода частиц-в-ячейке.
В экспериментах и при численном моделировании было установлено поразительное многообразие нелинейных эффектов, проявляющихся при взаимодействии мощных лазерных импульсов с плазмой. Численное моделирование даже в одномерном случае демонстрирует чрезвычайно сложный сценарий эволюции релятивистски сильного лазерного импульса в разреженной плазме, изобилующий проявлением множества нелинейных эффектов, — захват и ускорение заряженных частий плазмы при проникновении импульса в плазму из вакуума; развитие вынужденного комбинационного рассеяния, приводящее к образованию ударных фронтов; возбуждение кильватерных плазменных волн, в поле которых происходит ускорение частиц плазмы; изменение локальной частоты электромагнитного излучения, приводящее к генерации релятивистских по амплитуде солитонов; распад и практически полное отражение импульса на поздних стадиях эволюции; вспышки вынужденного комбинационного рассеяния, сопровождающиеся появлением пространственно модулированных с масштабом длины плазменной волны пучков ускоренных частиц.
Длительность импульса существующих лазеров составляет десятки фемтосекунд. При мощности от десятков тераватт до петаватт, в результате фокусировки, интенсивность излучения достигает значений порядка 1019 -г 1020W/cm2. Электрическое поле таких импульсов превышает характерное атомное поле. Это означает, что вещество под действием излучения оказывается практически мгновенно (т;оп и 10_l5sec) ионизованным. При этих условиях на первых! план выступают особенности нелинейной оптики плазмы. Наиболее существенными оказываются эффекты, связанные с релятивистским утяжелением частиц плазмы в излучении импульса. В пределе релятивистских ннтенсивностей лазерных
импульсов происходит модификация известных ранее процессов и обнаруживаются совершенно новые эффекты. Это в первую очередь относится к таким явлениям, как самофокусировка электромагнитного излучения, трансформация энергии излучения в плазменные волны, генерация гармоник, формирование и распространение солитонов и электронных вихрей в плазме, насыщение вынужденного комбинационного рассеяния.
Сложность и разнообразие проблем, возникающих при исследовании взаимодействия мощного излучения с веществом, делают необходимым и исключительно важным привлечение численных методов и расчеты с помощью ЭВМ. Результаты численного моделирования позволяют детально рассмотреть особенности физического процесса, заложенные в соответствующую модель, благодаря чему численное моделирование окончательно утвердилось как метод решения нелинейных уравнений математической физики, наряду с "солидными" аналитическими методами.
Представляемая диссертация посвящена исследованию нелинейных когерентных структур (именно, солитонов, электронных вихрей и магнитных островов), образующихся при взаимодействии мощного лазерного излучения с разреженной плазмой, когда безразмерная амплитуда элекромагнитного поля излучения a = eE/(tmjc) больше единицы. Основу этого исследования составляет численное моделирование, в основном, методом частиц-в-ячейке. Работа также содержит аналитические результаты, полученные благодаря рассмотрению результатов численных экспериментов.
Актуальность темы. Актуальность темы диссертации обусловлена быстрым повышением мощности современных короткоимпульсных лазерных установок, позволяющих получать поля с интенсивностями порядка 1019 -f- 1020W/cm2 в фокусе. В таких полях модифицируются особенности ранее известных процессов и проявляются новые эффекты. Становится необходимым теоретическое исследование, в том числе — ив особенности — с помощью численного моделирования, нелинейных эффектов, проявляющихся при взаимодействии мощных лазерных импульсов с плазмой.
Цель работы. Задачи работы, проведенной в ходе подготовки диссертации, состояли в следующем:
Установить элементарный механизм возбуждения электромагнитных солитонов релятивистской амплитуды в следе за мощным лазерным импульсом, распространяющимся в разреженной плазме.
Установить аналитическую форму солитона, без использования приближения огибающих. Исследовать устойчивость солитона методами численного моделирования.
Исследовать особенности эволюции долгоживущих электронных вихрей в следе за мощным лазерным импульсом.
Построить код, моделирующий двумерное уравнение электронной магнитной гидродинамики. С помощью этого кода исследовать нелинейную стадию развития разрывной неустойчивости бесконечного поперечного токового слоя (тиринг-моды).
Научная новизна. Результаты, изложенные в диссертации являются новыми. Изучен элементарный механизм образования солитонов при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом. Показано, что на поздних стадиях распада длинного мощного лазерного импульса в разреженной плазме происходят вспышки вынужденного комбинационного рассеяния, сопровождающиеся появлением сгустков быстрых электронов, распространяющихся как в направлении распространения импульса, так и в противоположном направлении. Впервые вне приближения огибающих получена аналитическая форма электромагнитного солитона релятивистской амплитуды. Найдено, что существует предельное значение амплитуды солитона. Установлено, что эволюция электронных вихрей, образующихся в следе за мощным лазерным импульсом, в нерелятивистском приближении описывается уравнениями типа Чарни-Обухова или Хасегавы-Мимы. Впервые рассмотрена задача об устойчивости вихревых цепочек в рамках двумерного уравнения электронной магнитной гидродинамики (ЭМГД). Впервые рассмотрена задача образования магнитных островов в рамках ЭМГД в связи с элементарным механизмом перезамыкания в бесстолкновительной плазме.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Формирование электромагнитах солитонов релятивистской амплитуды при взаимодействии мощного лазерного излучения с разрежен-
нон плазмой происходит вследствие понижения локальной частоты электромагнитного излучения в импульсе до плазменной частоты в . процессе трансформации энергии импульса в кильватерные волны.
-
Основные этапы распада длинного мощного лазерного импульса в разреженной плазме. В том числе, вспышки вынужденного комбинационного рассеяния, сопровождающиеся появлением сгустков быстрых электронов, на поздних стадиях эволюции импульса.
-
Аналитическая форма электромагнитного солитона релятивистской амплитуды, полученная как решение уравнений Максвелла и гидродинамических уравнений холодной бесстолкновительной плазмы без использования приближения огибающих. Существование предельного значения амплитуды солитона.
-
Анализ устойчивости цепочек и дорожек точечных вихрей, формулы для инкрементов неустойчивости (характеристических чисел Ляпунова) для этих систем.
-
Сценарий образования магнитных островов в рамках электронной магнитной гидродинамики и элементарный механизм перезамыкания в бесстолкновительной плазме.
Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы для развития методов ускорения и фокусировки пучков заряженных частиц, для управления характеристиками лазерного излучения, для моделирования процессов, происходящих в космической плазме. Излагаемые в диссертации исследования имеют важное значение в связи с созданием компактных ускорителей заряженных частиц и термоядерных установок на основе концепции быстрого зажигания мишени.
Достоверность полученных результатов. Изложенные в диссертации факты получены как аналитически так и с помощью численного моделирования, результаты были опубликованы в реферируемых научных журналах и докладывались на международных научных конференциях, сопоставлялись с результатами других авторов и с результатами экспериментов.
Апробация работы. Результаты, изложенные в работе, докладывались на научном семинаре в ИОФ РАН. По результатам диссертации были сделаны доклады на следующих конференциях:
1. XII International Conference on Laser Interaction and Related Plasma
Phenomena, April, 1995, Osaka, Japan.
Bnlanov S.V., Esirkepov T.Zh., Naumova N.M., "Properties of spectra of the reflected and transmitted radiation during propagation of relativiatically strong laser pulses in underdense plasmas".
2. "Nonlinear phenomena in microphysics of collisionless plasmas. Appli
cations to space and laboratory plasmas", General conference, May,
1995, La Badine, Presqu'ile de Giens, Hyeres, France.
Bulanov S.-V., Esirkepov T.Zh., Kamenets F.F., Naumova N.M., Pegoraro F., Pukhov A.M., "Theory of Ultrashort Relativistically Strong Laser Pulse Interaction with Overdensc and Underdense Plasmas" (invited lecture).
3. Международная конференция по Когерентной и Нелинейной Опти
ке, "ICONO'95", Июнь, 1995, Санкт-Петербург.
(а) Буланов СВ., Есиркепов Т.Ж., Каменец Ф.Ф., Пегораро Ф., Пу
хов A.M., "Ускорение заряженных частиц лазерными импульсами
в плазме" (приглашенный доклад).
(б) Буланов СВ., Есиркепов Т.Ж., Каменец Ф.Ф., Наумова Н.М.,
Пухов A.M., "Образование релятивистских электромагнитных со-
литонов в разреженной лазерной плазме".
(в) Буланов СВ., Есиркепов Т.Ж., Каменец Ф.Ф., Пегораро Ф., Пу
хов A.M., "Возбуждение релятивистских электронных вихрей мощ
ным сверхкоротким лазерным импульсом в разреженной плазме".
4. International Topical Workshop on Plasma Physics: Coherent Processes
in Nonlinear Media, October, 1995, ICTP, Trieste, Italy.
Bulanov S.V., Esirkepov T.Zh, Naumova N.M., Pegoraro F., "Change of Spectrum of Relativistically Intense Ultra Short Laser Pulses During the Interaction with Plasmas".
5. International conference "LASERS'95", December, 1995, Charleston,
South Carolina.
Bulanov S.V., Naumova N.M., Esirkepov T.Zh., Kamenets F.F., Pukhov A.M., Pegoraro F., "Acceleration of charged particles by an Ultrashort, Relativistically Strong Laser Pulse in a Plasma".
Работа, результаты которой представлены в диссертации, является частью исследований по проектам, проводимым благодаря грантам Министерства науки и технической политики РФ и Российского фонда фундаментальных исследований.
Публикации. По теме диссертации опубликовано в соавторстве 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка цитированной литературы.
