Исследование ускорения электронов и дина-мики фотоионизации разреженного газа в поле релятивистски-интенсивного фемтосе-кундного лазерного излучения для оценки параметров импульса: максимальной интен-сивности и распределении плотности энергии в фокальной областиНИР

Investigation

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 декабря 2015 г.-31 декабря 2016 г. Исследование ускорения электронов и динамики фотоионизации разреженного газа в поле релятивистски-интенсивного фемтосе-кундного лазерного излучения для оценки параметров импульса: максимальной интен-сивности и распределении плотности энергии в фокальной области
Результаты этапа: В 2016 году проделаны все работы, ранее запланированные на этот год. Собрана новая камера взаимодействия релятивистски-интенсивного фемтосекундного лазерного излучения на разреженный газ, рассчитанная на глубокий предельный вакуум (менее 10^-5 торр). При этом при наполнении камеры газом (гелий, аргон и другие) давление может быть стабильно поддерживаемо на уровне от 10^-4 до нескольких торр. Проведена полная характеризация параметров лазерного излучения (поперечного распределения энергии в импульсе до и после фокусировки, длительности и пр.) для оценки параметров импульса в перетяжке фокусирующей оптики. Оценочная пиковая интенсивность, достигаемая в фокусе внеосевого параболического зеркала превышает 10^19 Вт/см^2. Отработана методика регистрации электронов с помощью сцинтилляционного детектора в режиме счета частиц в диапазоне от 100 кэВ и более. Рассчитаны искажения спектров электронов, по мере их прохождения через вакуумные окна, фильтры на детекторах и прочее, позволяющие учесть потери в количестве частиц и их энергии при регистрации и восстановить исходные формы спектров по измеренным. Опытным путём установлен диапазон давлений газа в камере, при котором ускоряется достаточное для уверенной регистрации число частиц и, в то же время, коллективные плазменные эффекты не оказывают влияния на механизм ускорения (примерно 10^-3 - 1 торр). Выяснено, что прямое ускорение электронов лазерным полем до релятивистских энергий (свыше 500 кэВ для аргона в качестве газа в камере) возможно уже при интенсивностях около 10^18 Вт/см^2. При этом спектр по энергии имеет экспоненциально спадающий вид, для которого можно ввести квази-температуру электронов, напрямую зависящую от пиковой интенсивности излучения. Также обнаружено, что наибольшее число частиц регистрируются под углом 45 градусов от оси пучка в плоскости поляризации лазерного излучения. Ионная диагностик плазмы показала, что, вероятно, основным механизмом ускорения ионов в плазме является кулоновский взрыв, обеднённой электронами области перетяжки излучения. Максимальные энергии ионов (гелия) достигают 50 кэВ. Экспериментальные данные подкреплены двумя независимыми численными методиками расчёта движения частиц в поле интенсивной лазерной волны (метод PIC кода и метод тестовых частиц). Расчёты показали, что в целом картина ускорения частиц схожа с экспериментальной: максимальные энергии частиц превышают 500 кэВ, а их преимущественное ускорение идёт по направлению между осью пучка и поляризацией излучения. Тем не менее, ряд вопросов предстоит еще решить на следующем этапе проекта. Важно отметить, что сделан существенный задел для разработки относительно простой методики оценки параметров лазерного импульса, которую, по всей видимости, можно применять от умеренных до ультра-релятивистских значений интенсивности. Подготовлено к публикации три статьи в журналах из международных систем цитирования.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Исследование ускорения электронов и динамики фотоионизации разреженного газа в поле релятивистски-интенсивного фемтосе-кундного лазерного излучения для оценки параметров импульса: максимальной интенсивности и распределении плотности энергии в фокальной области
Результаты этапа: На втором этапе выполнения проекта разработана методика оценки пиковой интенсивности лазерного излучения по угловым спектрам электронов, ускоренных в перетяжке остросфокусированного фемтосекундного лазерного импульса. Электроны появляются вследствие ионизации газа низкого давления - гелия с концентрацией ниже 10^16 см^-3. Численные расчёты методом тестовых частиц и моделирования методом частицы в ячейке показали, что угловые распределения частиц относительно оси распространения пучка находятся в сильной зависимости от пиковой интенсивности лазерного импульса в диапазоне последней от 10^18 до 10^20 Вт/см^2. Таким образом, отслеживая направление вылета частиц с высокой остаточной энергией можно достаточно точно оценить пиковую плотность мощности. Энергетическо-угловые спектры электронов были измерены экспериментально при фокусировке тераваттного фемтосекундного импульса с оценочной интенсивностью свыше 10^19 Вт/см^2. Было обнаружено хорошее согласие с расчётными данными. В то же время было показано, что флуктуации энергии импульса от выстрела к выстрелу приводят к небольшим изменениям угловых спектров частиц, которые могут быть отслежены, что даёт возможность контролировать качество фокусировки в каждом лазерном импульсе.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Исследование ускорения электронов и динамики фотоионизации разреженного газа в поле релятивистски-интенсивного фемтосе-кундного лазерного излучения для оценки параметров импульса: максимальной интенсивности и распределении плотности энергии в фокальной области
Результаты этапа: Важнейшим результатом проведённого исследования следует назвать создание быстрой и относительно простой методики оценки пиковой интенсивности остросфокусированного фемтосекундного лазерного излучения тераваттной мощности. Метод основан на экспериментальном исследовании ускорения свободных заряженных частиц (электронов) в области перетяжки лазерного излучения и измерении их пространственных и энергетических характеристик, которые в свою очередь напрямую связаны с ключевыми параметрами лазерного излучения (в первую очередь пиковой интенсивности и распределения энергии в поперечном сечении пучка). Так было показано, что экспериментальная пиковая интенсивность лазерного импульса достигает величины 2.9х10^19 Вт/см^2, что очень близко к оценке в 2.6х10^19 Вт/см^2, даваемой на основе просто энергии, длительности и размера пятна излучения (см. подробности в методах и подходах). При этом данная оценка была получена по результатам измерения в одном лазерном выстреле. На пути к этому были получены крайне важные и актуальные результаты численного моделирования движения частиц в области перетяжки с помощью двух независимых методов – тестовых частиц и PIC моделирования, нашедшие экспериментальное подтверждение. Было показано, что свободные электроны, образующиеся при ионизации газа низкого давления (когда коллективными плазменными эффектами можно пренебречь) фронтом лазерного импульса, испытывают пондеромоторное воздействие света и покидают область перетяжки с высокой конечной энергией. При этом угол вылета частицы, а равно и её энергия, определяются амплитудой электромагнитного поля лазерного излучения. В совокупности, частицы образуют конус с осью, совпадающей с осью лазерного пучка, раствор которого определяется пиковой интенсивностью импульса. Электроны с большей энергией движутся ближе к оси лазерного импульса. Само по себе наличие конуса не является новым результатом для науки. Но зависимость от параметров импульса была исследована впервые, что и дало возможность построить модель оценки пиковой плотности мощности пучка. При этом в исследованном диапазоне от 10^18 до 10^20 Вт/см^2 параметры ускоренных частиц относительно слабо зависят от распределения энергии в поперечном сечении пучка (конечно, если не учитывать экзотические случаи кольцевых или флэт-топ пучков), что даёт уникальную возможность применять методику оценки для лазерных систем высокого класса мощности, широко распространенных по всему миру. Для больших интенсивностей, конечно, зависимость распределения электронов от свойств пучка становится более значимой. Но с учётом возможности экспериментального измерения формы пучка в плоскости фокусирующей оптики (различные датчики фазового фронта и т.д.) и последующего его учёта в численной модели данная проблема может быть решена. Очень интересный результат был получен при экспериментальном исследовании распределения частиц по углу относительно оси пучка и его поляризации (грубо говоря, своего рода «равномерность заполнения» данного конуса). Так в зависимости от жесткости фокусировки было обнаружено, что частицы могут иметь преимущественное направление вылета в диапазон углов 15-45 градусов от поляризации, формируя некое подобие пучка (выраженного при при жесткой фокусировке, F/D~3). Угол раствора конуса при этом сохраняет свое значение при всех углах наблюдения относительно поляризации. В то же время распределение частиц по конусу более равномерно при мягкой фокусировке (F/D~6-7), но и здесь обнаружена большая плотность частиц в перпендикулярном относительно плоскости поляризации направлении, что пока не нашло теоретического объяснения. При этом такое поведение скорее всего не связано с действием продольных полей. Наконец, следует отметить важный скорее технический результат - новый метод детектирования электронов на основе позиционно-чувствительного матричного детектора Medipix, смонтированного на угловых подачах. При помощи данного подхода накопление необходимого объёма данных (спектральных и угловых характеристик электронов) возможно за считанные выстрелы лазерной системы. Это относится не только к экспериментам в рамках данного проекта, но также и к работам по другим направлениям, связанным с релятивистски-интенсивным фемтосекундным лазерно-плазменным взаимодействием.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".