WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

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 аттосекунд).

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. А.М. 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 автореферата.

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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении обсуждается практическая и научная значимость и актуальность темы диссертации, формулируются цели работы и основные положения, выносимые на защиту.

Поясняется структура дальнейшего изложения материала работы.

В первой главе формулируется подход к теоретическому исследованию взаимодействия сверхинтенсивного лазерного излучения с веществом, используемый в настоящей работе, – численное моделирование на основе метода частиц в ячейках. В разделе 1.1. представлен общий обзор методов компьютерного моделирования взаимодействия лазерных импульсов с плазмой. Обосновывается целесообразность применения метода частиц в ячейках, обсуждаются его основные принципы, преимущества и недостатки. Обсуждается вопрос о моделировании столкновений частиц. В разделе 1.2. обсуждается численная реализация модели, способы численного интегрирования уравнений Максвелла и уравнений движения релятивистских частиц и методика моделирования кулоновских столкновений. В разделе 1.3. анализируется надежность и точность проведенных расчетов и достоверность результатов моделирования.

Вторая глава посвящена исследованию пространственных распределений быстрых электронов, генерируемых в приповерхностной плотной плазме, облучаемой фемтосекундными лазерными импульсами с субрелятивистской и релятивистской интенсивностью. Вводный раздел 2.1. посвящен описанию формирования плотной приповерхностной плазмы и механизмов поглощения энергии короткого лазерного импульса в плотной плазме с резким профилем плотности. Раздел 2.2. посвящен постановке задачи и описанию особенностей используемой численной модели. В разделе 2.3. изучаются пространственные распределения электронов, генерируемых в приповерхностной плотной плазме под воздействием фемтосекундных импульсов. Показано, что при наклонном падении короткого релятивистского импульса быстрые электроны в основном вылетают в телесный угол между нормалью к поверхности и направлением отражения импульса. Кроме того, наблюдается направленная эмиссия быстрых электронов с наибольшими энергиями вдоль направления отражения импульса (рис.1). Быстрые электроны, распространяющиеся по направлению отражения импульса, образуют коллимированный пучок с углом разлета не более 5 градусов.

Рис.1. Зависимость угла эмиссии электронов от их энергии после взаимодействия лазерного импульса (длительность - 30 фс, угол падения света - 45, = 0.6 мкм, I = 2·1019 Вт/см, р-поляризация) с плотной плазмой (плотность - 15nc, где nc – критическая плотность). Точками обозначены результаты численного моделирования, кривые отображают оценочные аналитические зависимости [Z.-M. Sheng et. al., Phys. Rev. Lett.

85, 5340 (2000)].

В разделе 2.4. исследуется влияние жесткой фокусировки лазерного пучка на генерацию быстрых электронов. Раздел 2.5. посвящен механизму резонансного поглощения энергии релятивистских импульсов при нормальном падении. Показано, что вблизи области двухфотонного резонанса часть энергии лазерного излучения преобразуется в энергию плазменных волн, а затем, вследствие их затухания, в тепловую энергию частиц.

Продемонстрировано, что зависимость коэффициента поглощения от плотности плазмы носит резонансный характер (рис.2).

Рис. 2. Зависимость коэффициента поглощения от плотности плазмы (в единицах критической плотности nc) для двух значений интенсивности света, указанных на рисунке.

В третьей главе обсуждаются результаты расчета взаимодействия фемтосекундных (50 -- 200 фс) световых импульсов субрелятивистской интенсивности (в диапазоне 1016 -- 5·Вт/см2) с плотной плазмой, образующейся на поверхности наноструктурированных мишеней. Введение к третьей главе включает обсуждение соответствующих экспериментальных результатов. В разделе 3.1. формулируется постановка задачи, описываются особенности моделирования плазмы с наномасштабными неоднородностями. В разделе 3.2. продемонстрировано увеличение эффективности поглощения света в высокотемпературной плотной плазме за счет модификации поверхностного слоя твердотельной мишени. Показано, что наличие наномасштабных пространственных неоднородностей существенно влияет на характер разогрева электронов и ионов плазмы:

средняя энергия «быстрых» электронов и их количество возрастают при переходе от сплошной мишени к наноструктурированной сильнее, чем средняя энергия «тепловых» электронов (рис. 3). В разделе 3.3. рассматриваются физические механизмы нагрева электронов в плазме с наномасштабными неоднородностями, выявленные в результате численного исследования динамики электронов. Прослеживается движение нескольких электронов в тонком слое вблизи поверхности мишени в процессе взаимодействия с фемтосекундным импульсом, исследуется поведение электронов в неоднородном электромагнитном поле на границах “вещество – пора”. Показано, что увеличение эффективности нагрева фемтосекундной лазерной плазмы и генерации горячих частиц в случае использования наноструктурированных мишеней объясняется понижением средней плотности плазмы, ее тепло- и электропроводности, а также значительным увеличением площади поверхности “плазма--вакуум”.

Рис. 3. (а) Распределение электронов по энергии Wz движения вдоль нормали к поверхности пористой мишени (кружки); (б) распределение электронов по энергии Wy движения вдоль поверхности пористой мишени (кружки). Локальная плотность мишени 90 nc, размеры неоднородностей ~ 40 нм, параметры лазерного импульса: длительность - 200 фс, = 0.6 мкм, I = 2·1016 Вт/см2,, р-поляризация. Сплошными кривыми показаны распределения электронов в однородной плазме при тех же параметрах импульса. Число электронов N нормировано на полное количество электронов. Стрелками указаны эффективные температуры электронов на разных участках распределений.

Ключевую роль в возрастании температуры и количества горячих 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).

В четвертой главе обсуждается возможность эффективной генерации одиночного аттосекундного импульса рентгеновского излучения при взаимодействии сверхкороткого (длительность по полувысоте около 7 фс) лазерного импульса ультрарелятивистской интенсивности ( I 1021Вт/cм2 ) с тонким плазменным слоем твердотельной плотности. В разделе 4.1. обсуждается постановка задачи и особенности используемой численной модели.

В разделе 4.2. показано, что параметром, определяющим характер процессов при взаимодействии ультрарелятивистского импульса с плазменным слоем при заданных значениях плотности и толщины слоя, является критическая интенсивность, определяемая соотношением l n Iс = Iрел, nc где l, n – толщина и плотность слоя, – длина волны света.

С помощью численных расчетов продемонстрировано, что при интенсивности лазерного импульса около критической, оказывается возможным получать одиночные АИ в отраженном или прошедшем сквозь слой свете, выделяя ограниченные участки в спектрах отраженного или прошедшего света (на рис.4 представлен пример выделения одиночного АИ в отраженном свете).

Рис.4. Временная зависимость квадрата напряженности отраженного поля после спектральной фильтрации.

Интенсивность возбуждающего света I=1900·Iрел, плотность плазмы - 250 nc, толщина слоя - /20. На вставке (а) - поле выделенного АИ ; на вставке (b) - спектр отраженного света (рамкой выделена область фильтрации).

Поле измеряется в единицах mc0/e, время - в безразмерных единицах 0t, где 0 – несущая частота поля.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»