Содержание
0 Введение 4
0.1 Общая характеристика работы.............................................. 4
0.2 Обзор литературы...................................................... 14
0.2.1 Сверхмощные лазерные системы ................................... 14
0.2.2 Ускорение электронов............................................ 22
0.2.3 Ускорение лёгких ионов.......................................... 28
0.2.4 Генерация аттосекундного излучения.............................. 41
1 Ускорение протонов при воздействии интенсивных лазерных импульсов на твердотельные мишени 50
1.1 Постановка задачи...................................................... 50
1.2 Ускорение протонов на одномерных структурах............................ 59
1.2.1 Эффекты, возникающие при релятивистской интенсивности ... 60
1.2.2 Эффект релятивистской индуцированной прозрачности слоя ... 60
1.2.3 Ускорение на тонкой фольге...................................... 68
1.2.4 Многокаскадный режим ускорения.................................. 71
1.2.5 Многомерные эффекты............................................. 75
1.2.6 Обсуждение результатов.......................................... 77
1.3 Ускорение протонов на двумерных и трехмерных структурах................ 79
1.3.1 Эффект краевого поля............................................ 80
1.3.2 Ускорение протонов краевым нолем................................ 82
1.3.3 Возбуждение продольных потоков электронов....................... 85
1.3.4 Сферическая мишень для ускорения протонов....................... 88
1.3.5 Обсуждение результатов.......................................... 95
1.4 Основные результаты и выводы........................................... 96
2 Ускорение электронов при распространении интенсивных лазерных
импульсов в газовых струях 98
2.1 Ускорение электронов в 1-азовых струях ................................ 98
2.1.1 Особенности численного моделирования............................ 99
2.1.2 Режимы распространения лазерного импульса ......................102
2.1.3 Захват электронов в ускоряющую область......................... 105
Си
1
2.1.4 Обсуждение результатов...........................................108
2.2 Гамма-источник на лазерном ускорении электронов..........................110
2.2.1 Ускорение электронов............................................ 110
2.2.2 Отражение лазерного импульса.....................................113
2.2.3 Столкновение лазерного импульса и электронов.....................118
2.2.4 Обсуждение результатов.......................................... 120
2.3 Основные результаты и выводы............................................ 121
3 Ультрарелятивистская наноплазмоника 122
3.1 Постановка задачи....................................................... 123
3.2 Теоретическая модель “релятивистская электронная пружина”................126
3.2.1 Методы исследования............................................. 126
3.2.2 Численное исследование ..........................................128
3.2.3 Постулаты и основные уравнения...................................133
3.2.4 Режимы взаимодействия........................................... 137
3.2.5 Обсуждение результатов...........................................140
3.3 Генерация аттосекундного излучения.......................................141
3.3.1 Генерация высоких гармоник.......................................142
3.3.2 Учет ограниченной когерентности..................................144
3.3.3 Сравнение с результатами численного моделирования................144
3.3.4 Оптимальные условия взаимодействия.............................. 146
3.3.5 Обсуждение результатов...........................................148
3.4 Концепция мишени в виде желоба для получения сверхсильных полей 149
3.4.1 Постановка задачи и существующие концепции.......................149
3.4.2 Эффект генерации гигантских атгосекундных импульсов..............151
3.4.3 Фокусировка гигантских аттосекундных импульсов..................152
3.4.4 Численное моделирование ........................................ 154
3.4.5 Обсуждение результатов...........................................155
3.5 Обсуждение результатов.................................................. 156
4 Заключение 159
5 Приложение 161
5.1 Численное моделирование ............................................... 161
2
5.1.1 Подход “частицы в ячейках”......................................161
5.1.2 Интегрирование уравнений движения...............................165
5.1.3 Интегрирование уравнений электромагнитного поля...............167
5.1.4 Процедура взвешивания ......................................... 175
5.1.5 Начальные и граничные условия ..................................178
5.1.6 Одномерный непараллельный код “PRISMA”......................... 183
5.1.7 Двумерный и трехмерный параллельный код “ELMIS”.................185
5.1.8 Тестирование и обсуждение результатов.......................... 189
6 Работы, содержащие основные материалы диссертации 195
7 Литература 197
3
О Введение
0.1 Общая характеристика работы
Стремительный прогресс последних десятилетий в технологиях получения коротких лазерных импульсов с экстремально высокой интенсивностью стимулировал множество теоретических и экспериментальных исследований в области применения таких импульсов для решения актуапьных задач, среди которых можно выделить создание альтернативных компактных источников ускоренных заряженных частиц, а также вторичных источников излучения с уникальными характеристиками. При доступных сегодня значениях интенсивности (до 2 х 1022 Вт/см2 [1]) лазерные импульсы вызывают не только ионизацию вещества мишени, но и приводят к ультрарелятивистскому движению электронов. что открывает широкие возможности для трансформации энергии лазерного излучения при взаимодействии с образующимися плазменными структурами. В связи с этим сегодня бурно развивается направление теоретическою и экспериментального исследования процессов взаимодействия интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов со структурированными мишенями в контексте решения прикладных задач [2].
Работа посвящена изучению механизмов преобразования энергии лазерного излучения и поиску структур мишеней, обеспечивающих определенные сценарии взаимодействия, которые приводят к нацеленному использованию этой энергии для ускорения заряженных частиц или генерации электромагнитного излучения. В качестве основы возникновения сильно нелинейных режимов трансформации оптической энергии в работе изучаются эффекты, обусловленные ультрарелятивистской самосогласованной динамикой электронов плазмы при воздействии на псе интенсивного лазерного излучения. Изученные эффекты легли в основу предложенных в работе новых концепций источников ускоренных заряженных частиц, а также вторичных источников излучения с уникалыIыми характеристиками.
Актуальность работы Изучение процесса взаимодействия сверхинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов с газовыми и твердотельными мишенями можно с уверенностью отнести к числу наиболее активно обсуждаемых областей современной теоретической и экспериментальной физики. Интерес к этому направлению вызван разнообразием нелинейных эффектов и возможностей их использования для создания уникальных инструментов как для фундаментальных исследований, так и для актуальных
4
приложений.
Одним из наиболее активно обсуждаемых сегодня приложений сверхмощных лазерных систем является лазерное ускорение электронов. В первую очередь, это связано со значительным прогрессом в экспериментальной реализации предложенных теоретических концепций ускорения полями плазменной волны, возбуждаемой лазерным импульсом в газовой мишени [3]. На сегодняшний день уже удалось добиться впечатляющих результатов: энергия электронов в пучках достигает полутора ГэВ при общем заряде пучка на уровне нескольких десятков пКл [4, 5]. Сегодня обсуждаются как самостоятельное применение таких источников /утя различных приложений, так и использование их в качестве первичного каскада доя линейных ускорителей, что обусловлено рядом преимуществ лазерного ускорения, среди которых наиболее значимым является компактность и относительная дешевизна установки. Последние годы исследования в этой области, в первую очередь, направлены на решение проблемы контролируемой инжекции или самоинжекции электронов в ускоряющую фазу, а также на поиск путей улучшение характеристик электронного пучка и увеличение стабильности процесса ускорения.
Другим широко обсуждаемым сегодня приложением интенсивных лазерных импульсов является генерация пучков ускоренных протонов и легких ионов. В рамках концепции ускорения приповерхностным слоем нагретых электронов (Target Normal Sheath Acceleration - TNSA) [6] при использовании лазерного импульса с пиковой интенсивностью 2 х ДО20 Вт/см2 удалось получить протоны, ускоренные до энергии около 55 МэВ [7]. При интенсивностях свыше 1023 Вт/см2 теоретически предсказывается возможность возникновения режима доминирования светового давления, при котором благодаря релятивистским эффектам происходит подавление плазменных неустойчивостей и становится возможным высокоэффективное ускорение ионов до энергий порядка десятков ГэВ [8]. Тем не менее, при доступных сегодня интенсивностях ни одна из вышеупомянутых концепций не представляется достаточно эффективной для генерации пучков протонов с энергией до нескольких сотен МэВ и малым разбросом по энергиям. Благодаря компактности и дешевизне лазерных систем по сравнению с традиционными ускорителями, создание альтернативных источников таких пучков протонов может иметь революционное значение, с точки зрения их применения в медицине для адронной терапии онкологических заболеваний и производства короткоживущих изотопов доя диагностических задач. Поэтому сегодня как теоретически, так и экспериментально
5
активно исследуются новые механизмы лазерного ускорения протонов и легких ионов при доступных интенсивностях.
Кроме применения сверхмощных лазерных систем для прикладных задач сегодня обсуждаются возможности их использования для новых фундаментальных исследований. Особенно следует выделить задачу генерации аттосекундных импульсов |9, 10). Такие импульсы, в первую очередь, представляют большой интерес для задачи исследования внутримолекулярных и внутриатомных процессов на предельно малых пространственных и временных масштабах с помощью метода накачка-зондирование (ригпр-ргоЬе). В качестве другого направления, вызывающего в последнее время бурный интерес. можно выделить концепцию получения предельно высоких напряженностей элек-тромагнитнот поля (для исследований нелинейных свойств вакуума) путем фокусировки до дифракционного передела вторичного аттосекундного излучения, полученного при взаимодействии лазерного импульса с какой-либо мишенью. И в том и в другом случае ключевыми задачами являются как получение наименьшей длительности импульса, так и достижение наивысшей эффективности трансформации энергии из фемтосекундного в аттосекундный диапазон длительностей.
Цель работы Целями данной диссертационной работы являются:
1. изучение эффектов, обусловленных ультрарелятивистским характером движения электронов при взаимодействии интенсивного фемтосекундного лазерного импульса с плазмой;
2. анализ результатов численного моделирование и разработка аналитических подходов для описания условий возникновения и результатов проявления изучаемых эффектов;
3. разработка новых концепций ускорения заряженных частиц, и генерации рентгеновского и гамма излучения при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с пространственно структурированными мишенями;
4. разработка программ для численного моделирования методом частиц в ячейках (Рагйс1е-1п-Сс11 - Р1С) процессов взаимодействия релятивистски интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов со структурированными плазменными мишенями в одномерной, двумерной и трехмерной геометрии.
6
Структура и объём диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, одного приложения и списка литературы. Общий объем работы - 218 страниц, включая 48 рисунков. Список цитируемой литературы состоит из 215 наименований.
В первой главе изучаются релятивистские эффекты при взаимодействии интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов со структурами сильно закритической плазмы, возникающей при ионизации вещества твердотельных мишеней, а также анализируются возможности использования этих эффектов для формирования и последующего ускорения пучка протонов или лёгких ионов.
В первой половине первой главы рассматривается эффект релятивистски индуцированной прозрачности тонкого плазменного слоя при воздействии на него интенсивного лазерного импульса с циркулярной поляризацией. Показано, что при возрастании интенсивности падающего излучения при достижении порогового значения происходит просветление слоя, которое может сопровождаться выталкиванием электронов и формированием электрического поля разделения зарядов. В работе предлагается использовать этот эффект для формирования и ускорения пучка протонов, изначально расположенных в некотором оптимальном положении до просветляемого слоя на пути падающего лазерного импульса. В завершении этой части формулируется концепция многокаскадного ускорения протонов на последовательности тонких фольг, которая подтверждается в работе одномерным и многомерным численным моделированием.
Во-второй половине первой главы рассматривается эффект возбуждения потоков электронов вдоль тонких слоев закритической плазмы при их наклонном облучении лазерным импульсом с релятивистской интенсивностью. На основе численного исследования найдены оптимальные условия взаимодействия. В качестве одной из идей использования этого процесса для ускорения протонов в работе развивается схема двухстадийного ускорения протонов при использовании полой сферической мишени с отверстием. На первой стадии при воздействии излучения на поверхность сферы в точке, противоположной отверстию, происходит ускорение протонов с внутренней поверхности в режиме ТЫЗА, а также генерация потоков электронов вдоль поверхности сферы. На второй стадии ускоренные протоны дополнительно ускоряются полем, формирующимся на кромке отверстия потоками электронов.
Во второй главе рассматривается процесс ускорения электронов полями кавитационной структуры, формируемой распространяющимся в разреженной плазме лазерным
7
импульсом, а также возможности использования этого процесса .для генерации гамма излучения.
В первой части второй главы проводится детальный феноменологический анализ результатов трехмерных численных моделирований процесса распространения лазерного импульса в разреженной плазме при варьировании концентрации плазмы и амплитуды лазерного импульса. Кроме этого, исследуется чувствительность процесса самозахвата электронов в ускоряющую фазу от условий формирования кавитационной структуры.
Во второй части второй главы предлагается и исследуется концепция генерации гамма излучения при столкновении пучка электронов, ускоренного в кавитационном режиме, с лазерным импульсом после его разворота навстречу пучку путем отражения от слоя плотной плазмы.
В третьей главе изложены результаты исследования механизмов преобразования оптической энергии, а также коллективной динамики электронов в приповерхностном слое закритической плазмы, наклонно облучаемой линейно поляризованным излучением с ультрарелятивистской интенсивностью. Предложенная и развитая в работе модель “релятивистской электронной пружины” применяется для задачи генерации атто-секундных импульсов, а также их использования с целью создания экстремально интенсивных полей для экспериментальных исследований нелинейных свойств вакуума.
Научная новизна Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена, новая концепция генерации квазимоноэнергоч'ических пучков прогонов и легких ионов с энергией до нескольких сотен МэВ путем создания ускоряющих полей при просветлении последовательности тонких фолы под воздействием фемтосекундного лазерного импульса с интенсивностью на уровне 1022 Вт/см2.
2. Развита новая схема двухстадийного ускорения протонов, включающая ускорение краевым полем при прохождении через отверстие полой сферической мишени пучка протонов, ускоренных с внутренней поверхности сферы в режиме Т^А.
3. Предложена новая мишень для создания сверхяркого источника гамма излучения, основанного на столкновении отраженного от слоя плотной плазмы лазерного импульса с пучком электронов ускоренных в кавитационной области, создаваемой этим же импульсом при распространении в разреженной плазме до момента отражения.
8
4. Показано, что в определенной области параметров при наклонном облучении поверхности закритической плазмы релятивистски сильным излучением возникает трехстадийное преобразование энергии падающего излучения, в котором определяющую роль играет трансформация оптической энергии в энергию внутренних плазменных полей и ультрарелятивистских сгустков электронов.
5. На основе предложенных и теоретически обоснованных постулатов сформулирована и развита новая аналитическая модель “релятивистской электронной пружины”, которая с высокой точностью описывает сильно нелинейную пространственно-временную динамику и излучение образующихся наноразмерных пучков электронов во всех режимах взаимодействия релятивистски интенсивного излучения с поверхностью закритической плазмы в пределах определенной области параметров взаимодействия.
6. Предсказан эффект генерации гигантских аттосекундных импульсов с амплитудой. значительно превосходящей амплитуду излучения, падающего на поверхность закритической плазмы, а также найдены оптимальные условия взаимодействия.
7. Предложена новая концепция получения излучения с интенсивностью на уровне 1026 Вт/см2 за счет' фокусировки гигантских аттосекундных импульсов при наклонном облучении мишени с поверхностью в виде слабоискривленного желоба.
8. Разработан и применен для численных исследований взаимодействия излучения с плазменными структурами параллельный многомерный РЮ-код, полностью лишенный численной дисперсии и нарушений уравнения непрерывности тока за счет применения оригинального параллельного алгоритма многомерного быстрого преобразования Фурье (БПФ).
Научная и практическая значимость
1. Предложенная концепция многокаскадного ускорения протонов на последовательности тонких фольг при использовании доступных сегодня мультипетаваттных лазерных импульсов представляет путь получения пучков протонов, которые но своим характеристикам отвечают' ряду важных приложений, включая адронную терапию.
9
2. В рамках развития схемы двухстадийного ускорения протонов на полой сферической мишени с отверстием предложены конкретные способы увеличения энергии протонов для актуальных приложений.
3. При исследовании процесса лазерного ускорения электронов в разреженной плазме в кавитационном режиме было установлено, что одна из основных причин вариабельности количества электронов в ускоряемом пучке связана с чувствительностью механизма самозахвата электронов к условиям формирования кавитационной структуры, что может послужить основой для развития методов повышения стабильности механизма самозвахвата.
4. Предложенный в работе источник гамма излучения обладает рекордно высокой яркостью излучения - 1028 фотонов за 1 с на 1 мм2, и потому может' найти приложения в фундаментальных исследованиях строения вещества.
5. Предложенный и развитый в работе теоретический подход “релятивистской электронной пружины'’ применим для описания ультрарелятивистской динамики возникающих малоразмерных электронных сгустков в достаточно широкой области параметров как плазмы (распределение плотности, состав и пр.), так и падающего на неё излучения (профиль, поляризация, и пр.), и потому может широко использоваться в задачах исследования в данном процессе бесстолкновительного нагрева плазмы, ускорения электронов, генерации рентгеновского излучения и др.
6. Источник когореитного рентгеновского излучения, основанный на обнаруженном эффекте генерации гигантских аттосекундных импульсов, ввиду высокой эффективности трансформации оптической энергии может найти множество применений, среди которых можно выделить исследование внутримолекулярных структур на рекордно малых временных и пространственных масштабах.
7. Предложенная концепция получения интенсивностей на уровне 1026 Вт/см2 при облучении мультипетаваттным лазерным импульсом под оптимальным углом поверхности мишени с формой в виде слабоискривленного желоба представляет один из путей экспериментального наблюдения и исследования нелинейных свойств вакуума, таких как возникновение лавин электрон-позитронных пар.
8. Раз работа иные параллельные компьютерные программы для моделирования плаз-
10
мы методом частиц в ячейках в многомерной геометрии могут использоваться в качестве инструментов теоретического анализа для широкого класса задач в области лазерной плазмы.
Основные положения На защиту выносятся следующие основные положения:
1. При воздействии релятивистски сильного лазерного импульса на последовательность расположенных с определенными интервалами тонких плазменных слоев можно сформировать и поэтапно ускорить квазимоноэнергетический пучок протонов, синхронизовав его движение с моментами формирования ускоряющего ноля разделения зарядов, вызванного пондеромоторным смещением электронов при поочередном просветлении слоев.
2. При воздействии лазерного импульса на полую сферическую мишень с отверстием генерирующиеся потоки электронов огибают сферу вдоль поверхности и, выходя за пределы мишени вблизи кромки отверстия, создают там поле разделения зарядов, которое может дополнительно ускорить протоны, ускоренные с внутренней поверхности сферы в режиме ТМБА. При использовании фемтосекундных лазерных импульсов и размеров мишени порядка десятков микрон для эффективного ускорения на второй стадии важно синхронизовать момент выхода пучка протонов через отверстие и момент формирования в этой области ускоряющего поля, что можно сделать путем подбора размера фокального пятна или использованием мишени в виде эллипсоида.
3. Интенсивный циркулярно поляризованный лазерный импульс с пиковой интенсивностью на уровне 1022 Вт/см2 может быть использован для создания сверхяркого источника гамма излучения путем его разворота в обратном направлении при отражении от слоя плотной плазмы и столкновения с пучком электронов, ускоренным этим же импульсом в кавитационном режиме в предшествующем развороту слое разреженной плазмы.
4. Теоретическая модель “релятивистской электронной пружины" описывает сильно нелинейную ультрарелятивистскую динамику коллективного движения электронов вблизи поверхности закритической плазмы при её наклонном облучении оптическим излучением с интенсивностью более 1021 Вт/см2 при условии, что значение
11
релятивистского параметра подобия, равного отношению плотности плазмы в единицах критической плотности к амплитуде излучения в единицах релятивистской амплитуды, находится в интервале 0,1 < S < 5.
5. При оптимальных условиях воздействия на поверхность закритической плазмы оптического излучения с интенсивностью более 5 х 1021 Вт/см2 динамика приповерхностных электронов приводит к генерации аттосекундных импульсов с амплитудой, значительно превышающей амплитуду падающего излучения. При интенсивности падающего излучения на уровне 1023 Вт/см2 и оптимальных значениях угла падения 0 ^ 62° и релятивистского параметра подобия S & 1/2 амплитуда гигантского аттосекундного импульса может в десять раз превышать амплитуду падающего излучения.
6. При воздействии мультипетаваттного лазерного импульса на мишень с поверхностью в форме слабоискривленного желоба можно обеспечить генерацию гигантских аттосекундных импульсов при оптимальных условиях и их фокусировку в пятно с размером порядка десяти нанометров, где интенсивность достигнет значения свыше 1026 Вт/см2.
Достоверность Достоверность полученных результатов подтверждается полным соответствием данных численного моделирования предложенным физическим механизмам рассмотренных эффектов. В свою очередь точность и достоверность результатов численного моделирования подтверждаются детальным исследованием применимости разработанных программных кодов на ряде модельных задач физики плазмы. Кроме этого, в работе приведены количественные оценки, обосновывающие все ключевые предположения и выводы. Полученные теоретические качественные и количественные пред-сказания с высокой точностью согласуются с результатами численного моделирования. Ряд полученных результатов подтверждается эксперимен-тальными данными, полученными в Лундском университете (двухстадий-ное ускорение протонов на сферической мишени) и на установке PEARL в НПФ РАН (ускорение электронов в газовых струях).
Апробация работы Изложенные в диссертации результаты были представлены автором на семинарах в ИПФ РАН, в университете г. Умео (Швеция), в Лундском уни-
12
верситете (Швеция) и в центре CELIA в г. Бордо (Франция), а также докладывались на 25 международных и общероссийских конференциях. По теме диссертации опубликовано 39 работ, в том числе б статей в рефе-рируемых научных журналах, 2 статьи в сборниках трудов конференций, 1 статья в книге, 2 зарегистрированные программы ЭВМ.
13
0.2 Обзор литературы
0.2.1 Сверхмощные лазерные системы
С момента изобретения лазера этот, несомненно, уникальный источник оптическою излучения нашел множество важнейших приложений и породил новые направления не только в физике, но и в других науках. Пожалуй, одним из самых интригующих направлений развития лазерных технологий с момента появления лазеров является поиски путей достижения все большей интенсивности излучения, что напрямую связано с открытием новых возможностей как для фундаментальных исследований, так и для важнейших приложений. Основополагающей идеей этого направления наряду с геометрической фокусировкой излучения в пространстве является сокращение длительности излучения. К копну 60-х годов прошлого века на пути реализации этой идеи удалось достичь значительною прогресса и довести пиковую интенсивность генерируемых коротких импульсов до 1014 Вт/см2 (см. Рис. 1). Этот прогресс мотивировался применением таких импульсов для ряда важных приложений и уникальных исследований, к числу которых относятся первые в истории наблюдения нелинейных оптических эффектов, что обусловило рождение и развитие целого направления - нелинейной оптики.
Рост интенсивности генерируемых лазерных импульсов был главным образом связан с уменьшением длительности, сначала до наносекундных масштабов при использовании метода модуляции добротности, а потом и до длительностей на уровне иикосекунд и даже нескольких десятков фемтосекунд за счет использования методики синхронизации мод [11]. Однако, на пути дальнейшего увеличение интенсивности возник ряд технических проблем, вызванных тем, что большая интенсивность усиливаемого импульса приводила к возникновению эффектов оптического пробоя и разрушения материала усиливающей среды, тогда как увеличение поперечных размеров сопровождалось возрастанием роли паразитных поперечных мод и появлением эффекта самофокусировки излучения. Поэтому создание лазерных систем ограничивалось применением в качестве усиливающей среды материалов с относительно низкой плотностью энергии, запасаемой в состоянии инверсии населенности. Другим существенным ограничением является необходимость применения широкополосных сред, то есть сред, полоса усиления которых охватывает весь спектр усиливаемого импульса, что становится весьма сильным ограничением при достижении длительностей импульса сравнимых с периодом оптического излучения. По этим причинам наиболее успешным оказалось применение в ка-
14
Квантовая
электродинамика
/- 10і* Вт/см!
эксперименты по КЭД
вакуум
адронотерапия.
производство
изотопов
твердотельная мишень закритическая^^^ плазма
релятивизм протона
/= 10»1 Вт/см*
ускорение
протонов
♦
протонографии
СО 1020 -
тенорация ВУФ
релятивизм электрона /*2.73* 10'* Вт/см-'
ускорение
газовая
мишень
электроном
линейные
ускорители
докриіическан
плазма
внутриатомное поле
/ »3*1 С* Вт/ем*
генерация
вттосекундных
импульсов
5 Ю15
атомы и молекулы
7
генерация
ТГц излучения
синхронизация мод
внутриатомная
физика
1010- -
модуляция
добротности
аттофизика
1960
1970 1980 1990 2000 2010
Рис. 1: Рисунок, демонстрирующий исторический ход развития технологий получения интенсивных лазерных импульсов; по вертикали отложена пиковая интенсивность в фокусе, но горизонтали - года. Слева приведены некоторые характерные значения интенсивностей, соответствующие качественным переходам к наблюдению новых нелинейных эффектов; цветом показаны те системы, нелинейные эффекты в которых возбуждаются излучением соответствующей интенсивности, справа показаны наиболее обсуждаемые сегодня приложения.
15
честве усиливающих сред эксимеров и органических красителей. Вследствие больших размеров лазерных систем, исследования в области сверхсильных полей были ограничены использованием всего нескольких установок, наиболее известные из которых С02 лазер в Лос-Аламоской национальной лаборатории 112], лазер на неодимовом стекле в лаборатории университета города Рочестер [13) и эксимерные лазеры в университете Иллинойс в Чикаго и в Токийском университете [14, 15].
Метод усиления через чирпованные импульсы. Ситуация сильно изменилась в 1985 году в связи с разработкой и реализацией Донной Стрикланд и Жераром Муру метода усиления через чирпованные импульсы (Chirped Pulse Amplification - CPA) [16], который произвел революцию в области генерации сверхмощных лазерных импульсов, предоставив возможность в рамках небольшой лаборатории превзойти интенсивность всех ранее существующих лазерных систем на несколько порядков. Этот метод представляет собой способ усиления коротких и мощных лазерных импульсов, позволяющий избежать возникновения оптического пробоя в усиливающей среде, и заключается в следующем (см. рис. 2). Исходный лазерный импульс пропускается через стретчер -дисперсионную оптическую систему, которая придает' импульсу линейную частотную модуляцию (так называемый чирп), растягивая его в пространстве и времени в десятки тысяч раз за счет разнесения составляющих его спектральных компонент. Естественно, при таком преобразовании интенсивность импульса значительно уменьшается, и в таком виде он усиливается активной средой, не вызывая её пробоя. После этого импульс сжимается до исходной длительности второй дисперсионной системой, обратной первой и называемой компрессором. В качестве стретчера и компрессора обычно используются пары дифракционных решеток, определенным образом расположенных и ориентированных по отношению к пути распространения лазерною импульса. Фактически идеей является то, что усиление импульса в активной среде происходит в растянутом виде, что предотвращает возникновение пробоя. При этом единственным местом, где происходит взаимодействие импульса высокой интенсивности с веществом, является поверхность последней сжимающей импульс дифракционной решетки, порог разрушения которой наступает при значительно больших интенсивностях, чем пробой в толще усиливающих сред.
Наиболее успешным оказалось применение в качестве усиливающей среды двух материалов. Первым материалом является кристалл сапфира, допированный ионами ти-
16
д <—>
СХОДНЫЙ V
исходный
лазерный
импульс
усиленный
лазерный
импульс
компрессор
Рис. 2: Схематическое изображение технологии усиления мере:} чирпованные импульсы. Сверху - принцип работы стретчера: короткий импульс пропускается через дифракционную систему, в которой оптические пути для различных длин волн различны. В результате, на выходе стретчера импульс оказывается растянутым в пространстве и чириованным. Снизу - принцип работы компрессора, которых представляет собой дифракционную систему, обратную стретч еру. На выходе из компрессора импульс снова имеет малую длительность.
17
тана (Ті3+:А1гОз или Ti:Sa). Благодаря рекордно широкой полосе пропускания (около 3000 см-1) этого материала удается достигать высокие интенсивности за счет усиления очень коротких импульсов с длительностью всего несколько десятков фемтосекунд. При этом энергия импульсов обычно равна единицам или десяткам Джоулей. Вторым материалом является неодимовое стекло, здесь высокие интенсивности достигаются альтернативным образом за счет высокой энергетики - длительность усиливаемых импульсов обычно находится на уровне пикосекунд, тогда как их энергия может достигать нескольких кДж.
Еще одной альтернативой получения сверхмощных лазерных импульсов стала методика, основанная на параметрическом усилении света в нелинейно-оптических кристаллах (Optical Parametric Chirped Pulse Amplifcation - OPCPA). Идея этой методики была высказана группой А. Пискарскаса 1986 году [17], и была позднее реализована несколькими группами (18-20|. Основным преимуществом этой методики является беспрецедентно высокий коэффициент усиления - до 3-4 порядков при одном проходе через кристалл. Следует также отметить перспективность этой методики, обусловленную существованием технологий выращивания широкоапертурных кристаллов семейства KDP (гидрофосфат калия), что позволяет увеличивать энергию импульсов за счет масштабирования усилительных каскадов [21, 22).
После изобретения методики усиления через чирнованные импульсы в 1985 году интенсивное развитие технологий получения сверхмощных импульсов позволило за последующие 20 лет повысить пиковую интенсивность в фокусе на семь порядков, демонстрируя экспоненциально быстрый рост- интенсивности с течением времени (см. Рис. 1). На данный момент (2011 год) рекордным результатом является интенсивность 2 х 1022 Вт/см2 [1), которая была достигнута в 2008 году в Мичиганском университете за счет использования адаптивной оптики, обеспечившей почти идеальную фокусировку лазерного импульса с пиковой мощностью около 300 ТВт. Сегодня в мире существует несколько лазерных систем, позволяющих получать лазерные импульсы с пиковой мощностью на уровне 1 ПВт, и ряд проектов, нацеленных на дальнейшее увеличение мощности до уровня 10 ПВт. Несмотря на это, по всей видимости, в последние годы экспоненциально быстрое развитие по интенсивному пути неизбежно сменяется более медленным развитием по экстенсивному пути. Об этом, в частности, говорит стратегия стартовавшего крупного международного проект Extreme Light Infrastructure -ELI, которая предполагает увеличение интенсивности лазерного излучения до уровня 1024-
18
- Київ+380960830922