Оглавление
Введение ........................................................... 5
1 Обзор литературы 16
1.1 Пондеромоторные силы............................................... 16
1.2 Управление заряженными частицами................................... 20
1.3 Лазерное ускорение заряженных частиц............................... 23
2 Пондеромоторные силы п лазерных пучках релятивистской интенсивности 26
2.1 Теория релятивистских пондеромоторных сил.......................... 26
2.2 Способы получения биполяризационных полей.......................... 29
2.3 Поляризационные исследования энергии Ае±, набираемой заряженной частицей при поперечном прохождении через релятивистский лазерный пучок................................................................... 31
2.3.1 Вывод формулы для Аєх......................................... 31
2.3.2 Численное исследование поперечного нахождения заряженной частицы через релятивистский биполяризационный лазерный пучок.
Сравнение теории и точного (численного) імчпония.............. 33
о
2.4 Поляризационные исследования энергии Дец, набираемой заряженной ча-
стицей при продольном прохождении через сфокусированный лазерный
пучок )>елятипистскоЙ интенсивности................................ 30
2.4.1 Вывод формулы для Дец .......................................... 39
2.4.2 1 Іислеиное исследование продольного прохождения заряженной ча-
стицы через область фокуса биполяризациоиного лазерного пучка. Сравнение теории и точного (численного) решения.............. 40
2.5 В і.і воды по главе 2.................................................. 42
3 Пондеромоторные силы в многокомпонентных полях лазерного излучения 43
3.1 Пондеромоторные силы в биполяризационной стоячей волне............. 43
3.1.1 Введение, возможность реализации биполяризационной стоячей волны ................................................................... 43
3.1.2 Пондеромоторные силы в биполяризационной слоячей волне ... 46
3.1.3 Особенности ускорения заряженных частиц бнполяризционной стоячей волной........................................................ 49
3.1.4 Численное моделирование эволюции заряженных частиц в биполяризационной стоячей волне........................................ 53
3.2 Полдеіючоторньїе силы в пересекающихся пучках лазерного излучения . 60
3.2.1 Расчет иондеромоторных сил в пересекающихся пучках лазерного
излучения.................................................... 61
3
3.2.2 Особенности ускорения заряженных частиц и пересекающихся лазерных пучках........................................................ 64
3.2.3 Расчет изменения энергии электрона при его движении по замкнутой траектории п пересекающихся лазерных пучках................. 65
3.2.4 Численное моделирование эволюции заряженных частиц в пересекающихся пучках лазерного излучения................................ 67
3.3 Выводы по главе 3.................................................... 68
4 Ускорение электронов интенсивным коротким импульсом ефокусиро-ианного лазерного излучения 70
4.1 Введение............................................................. 70
1.2 Особенности воздействия сфокусированного лазерного поля па релятивистский электрон 72
4.2.1 Электрические и магнитные поля сфокусированного излучения . 72
4.2.2 Особенности поперечной и продольной эволюции электрона (эффект однополярносги)................................................. 75
4.3 Результаты численных экспериментов по уско|>ению электронов коротким лазерным импульсом................................................... 81
4.4 Оптимизация начальных параметров..................................... 87
4.5 Выводы по главе 4.................................................... 94
Заключение 94
Литература 97
•1
Введение
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 / ~ И)1* — К)21 Вт/см2 |1‘3). Такие интенсивности достигаются при генерации ультракоротких лазерных импульсов и при жесткой фокусщювке излучения, когда помимо осцилляторпой компоненты движения заряженных частиц существенное значение имеет их дрейф вследствие временной и пространственной неоднородности поля. Этот дрейф описывают с помощью пондеромоторнмх сил. Механическое (иондеромоторное) действие лазерного излучения на вещество широко используется в многочисленных приложениях: для ускорения, замедления, левитации, охлаждения и локализации, как заряженных частиц (электроном, ионии), 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 несдачи различны. В полях большой интенсивности механизмы иондеромоториого воздействия модифицируются и полностью в настоящее время еще не изучены. В частности, практически отсутствуют поляризационные исследования пондеромоторнмх сил.
В сверхсильных Оюлятивистских) нолях пондеромоторпые СИЛЫ П]люб])егают новые свойства. Ранее были предсказаны вихревой характер этих сил и их зависимость от поляризации излучения |1). Строгое доказательство этих свойств релятивистских пондеромоторнмх сил отсутствовало. Помимо фундаментального аспекта такое дока-
затсльство важно и для определения правильной процедуры усреднения релятивистских уравнений при описании движения заряженных частиц в электромагнитных полях. В многокомпонентных полях пондеромоторные силы становятся поляризационнозависимыми уже при относительно небольших интенсивностях излучения. При этом поконсервативнее и» системы ,,частица-полеиможет быть реализована не только при изменении интенсивности излучения (серфинг-эффект |5)), 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 воздействие на заряженную частицу оказывают продольные компоненты полей лазерной водны. Помимо фундаментального интереса исследование этих механизмов имеет и значительный прикладной аспект. Недавно опубликована серия работ (см., например, [Р>-М|),н которых численно исследуется ускорение электронов в вакууме сфокусированным пучком стационарного лазерного излучения большой интенсивности I ~ К)21 — К)22 Вт/см2. Показана принципиальная возможность получения электронов с энергией с ~ 1 ГэВ в лабораторных условиях. Однако механизм ускорения не был установлен и интерпргпцюиан. 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 иондеромогорных сил, действующих на заряженные частицы в лазерных
О
пучках большой интенсивности, и определение условий эффективного управления заряженными частицами и лазерных полях различной кот|)игураиии:
1. Численное исследование поляризационных особенностей поидеромоторимх сил в бегущей волне релятивистской интенсивности и определение правильной процедуры усреднения релятивистских уравнений движения.
2. Развитие аналитической теории пондеромоторных сил в многокомпонентных лазерных пучках (в стоячей волне и пересекающихся волнах), исследование поляризационных особенностей этих сил и возможности их использования для ускорения (и замедления) заряженных частиц, нечувствительного к фазе поля.
3. Исследование механизма стабильного ускорения электронов коротким лазерным импульсом (г ~ 100 фс) сфокуацюванного излучения большой интенсивности / ~ 1(),У - И)22 Вт/см2 И »Наделение условий, П])И которых возможно ускорение электронов до энергий е > 1 ГэВ.
Научная новизна работы:
- В численных экспериментах (при решении строгих релятивистских уравнений движения) обнаружена зависимость пондеромоторных сил от поляризации излучения и бегущей волне релятивистской интенсивности.
- Впервые разработана теория пондеромоторных сил в биполяризационной стоячей волне и пересекающихся лазерных пучках.
- Установлен новый механизм ускорения электронов коротким лазерным импульсом сфокусированного излучения большой интенсивности / ~ И)19 — И)22 Вт/см2 и дана его интерпретация.
Научная и практическая значимость работы
Научная ценность работы определяется исследованными н ной механизмами взаимодействия заряженных частиц с пространственно неоднородными полями различных конфигураций (в том числе биполяризационнмми полями и полями релятивистской интенсивности). Практическая же значимость определяется предсказываемой возможностью аффективного управления заряженными частицами в таких нолях и возможностью (лабильною лазерного ускорив я электронов до энергий е > 1 ГэВ, что сравнимо с энергиями, достигаемыми на "больших"ускорителях типа йЬАС.
Защищаемые положения
1. Эффект непотенциальности иондеромоторных сил в полях релятивистской интенсивности и их зависимость от поляризации излучения.
2. Теория пондеромоторных сил в многокомпонентных лазерных пучках и особенности ускорения (замедления) заряженных частиц в биполяризацнонной стоячей волне и пересекающихся лазерных пучках. ЕЗозможность ускорения электронов и биполяриза-нионной стоячей волне (без их группировки в пространственные сгустки) с градиентом £ ~ 0.1 ТэВ/м.
3. Новый механизм лазерного ускорения электронов короткими лазерными импульсами (г ~ 100 фс) большой интенсивности (/ ~ 10|у - 1022 Вт/см2) при их жесткой фокусировке. Механизм основан на однополярном воздействии продольного электрическою поля лазерной волны на релятивистский электрон. Физическая причина такой однополярпости заключается в различии фазовых скоростей продольных и поперечных компонент полей сфокусированного излучения. При оптимизации параметров излуче-
- Київ+380960830922