Оглавление
ВВЕДЕНИЕ . . .. 4
ГЛАВА 1. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ВЕЩЕСТВОМ. МЕТОД ЧАСТИЦ В ЯЧЕЙКАХ ..... 14
Введение .... .... . 14
11 Численное моделирование взаимодействия лазерного излучения с веществом . 14
1.1 1. Методы компьютерного моделирования взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов с
плазмой. . ... .... . .. . . 14
1 1 2 Метод частиц в ячейках.................................................................... 17
1.12а Основные принципы метода частиц в ячейках. Постановка задачи .. 17
1.12 6 Метод Р1С как метод конечных элементов для решения кинетического уравнения. 19
1 I 2 в Столкновения частиц в методе Р1С .... . . . . 20
12. Численная реализация модели Р1С . ... .... ... ... 22
1.2 1 Безразмерная система единиц Выбор начальных значений. .. . 23
12 1а Выбор начальных значений, параметров сетки и квазичастиц .. ... 24
1 2 2 Численный метод решения уравнений Максвелла .... . 26
12 2а Конечно-разностная схема расчета уравнений Максвелла ... . 27
122 6 Граничные условия для уравнений Максвелла . . .... 28
1 2 3 Численный метод решения уравнений движения квазичастиц ............ . . 30
12 4 Расчет зарядов и токов Интерполяция полей ................................ . 31
124а Раздача зарядов по узлам эйлеровой сетки ... .. 32
1.246 Интерполяция полей в места локализации частиц...................... .... 33
1 2 5. Моделирование столкновений частиц..................................... . 34
13 Обсуждение достоверности результатов моделирования .. 37
13.1. Движение свободного электрона в поле плоской электромагнитной волны . . 38
1 3 2 Затухание электромагнитного поля в скин-слое . . .... .. . 39
1 3 3 Проверка адекватности моделирования столкновений отражение света от однородной столкновительнойплазмы . ... ... . 40
ГЛАВА 2. ГЕНЕРАЦИЯ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ ПЛОТНЫХ СРЕД ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ . .. .... 44
ВВЕДЕНИЕ . . . . .. 44
2 1 Формирование и нагрев плоиюй плазмы фемтосекундным лазер»«ым импульсом 45
2 1 1 Формирование плотной приповерхностной плазмы ............................................... 45
2 1 2 Механизмы поглощения энергии короткого лазерного импульса в плотной плазме с резким профилем плотности ... .. 46
2 2. Постановка задачи и описание численной модели............................. .. 49
2.2 1. Модель лазерного пучка .................................................................... 49
2 3 Пространственные распределения электронов, генерируемых в приповерхностной плотной плазме под воздействием фемтосекундных импульсов................. 51
24 ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОЙ ФОКУСИРОВКИ ПУЧКА НА генерацию БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ .. 55
2
2 5 Поглощение энергии релятивистских импульсов в области двухфотонного резонанса 56
Основные результаты второй главы ....................................................................... 63
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ НАНОМАСШТАБНЫХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ НАГРЕВА ПРИПОВЕРХНОСТНОЙ ПЛАЗМЫ ФЕМТОСЕКУНДНЫМИ СВЕТОВЫМИ ИМПУЛЬСАМИ... 65
Введение ...... . .. . . . ...65
3 1 ПОСТА! 10ВКА ЗАДАЧИ И ОПИСАНИЕ ЧИСЛЕН! ЮЙ МОДЕЛИ......... . 67
3 2 Увеличение эффективности поглощения света в высокотемпературной плотной плазме за СЧЕТ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ МИШЕНИ ... .. 70
3 3 Механизмы разогрева электронов в плазме с наномасштабными неоднородностями в
СУБРЕЛЯТИВИСТСКОМРЕЖИМЕ .... .74
Основные результаты третьей главы ... .... 76
ГЛАВА 4. ГЕНЕРАЦИЯ АТТОСЕКУНДНЫХ РЕНТГЕНОВСКИХ ИМПУЛЬСОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СВЕРХКОРОТКИМ РЕЛЯТИВИСТСКИМ ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ НА ТОНКУЮ ПЛЕНКУ. .. . 78
Введение .. .. .. . ......................... . 78
4.1. Постановка задачи и описание численной модели ............. . . ... 80
4 2. Генерация одиночного аи в тонкой пленке в плосковолновой геометрии. ... 81
4 2.1. Генерация одиночного АИ в отраженном свете........................ .... 83
4 2 2 Генерация одиночного АИ в прошедшем свете ........... . 86
4 2 3 Зависимость параметров АИ, получаемого в прошедшем свете, от интенсивности света и толщины пленки . . . . . .89
4 3. Генерация одиночного ЛИ в режиме жесткой фокусировки лазерного пучка. . . 92
Основные результаты четвертой главы.................................................... .. 94
ВЫВОДЫ . ... . .... ............ . 96
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Развитие и применение метода частиц в ячейках в моделировании лазерной
плазмы ... 98
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Безразмерная система величин ... . .. .101
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Конечно-разностные аналоги уравнений Максвелла в одномерном и двумерном
случаях . . ........ ............................................ ... .101
ПЗ 1. Конечно-разностные аналоги уравнений Максвелла в двумерном случае. . 101
ПЗ 2. Конечно-разностные аналоги одномерных уравнений Максвелла 103
ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Поглощающие граничные условия для уравнений Максвелла . .... 104
П4 1. Локальные поглощающие граничные условия в дифференциальной форме .. .. 104
П4 2 Локальные поглощающие граничные условия в конечных разностях . 105
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..................................................... ... 107
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Одним из наиболее значительных достижений современной оптики безусловно является внедрение в экспериментальную практику компактных лазерных систем, позволяющих получать сверхкороткие световые импульсы с интенсивностями более 10,8Вт/см2 [1]. На основе концепции параметрического усиления чирпированных импульсов в настоящее время получены лазерные импульсы с рекордными значениями мощности (до десятков тераватт [2,3]) при рекордно высоком значении контраста импульса (5-1011 по интенсивности [4]) и ультракороткой длительности, включающей только несколько оптических колебаний [2]. Развитые технологии достижения высокого пространственного качества лазерного пучка с помощью деформируемых зеркал позволяют фокусировать мощное излучение в пятно диаметром несколько микрон и обеспечивают, таким образом, интенсивности порядка 1022Вт/см2 [5]. Для характеристики интенсивности сверхсильного лазерного излучения удобно использовать безразмерный параметр а = еЕ/тсо0, где е,т - заряд и масса элеюрона, Е, <х>о - амплитуда
электрического поля световой волны и несущая частота, с - скорость свет. При этом интенсивность светового поля можно выразить как 1=а1рсЛ, где = с/8тг*(/ис(Оо/е)2 ~ 1.37*1018*(Х[мкм])'2 Вт/см2 - релятивистская интенсивность. При этой интенсивности амплитудное значение кинетической энергии электрона, который до взаимодействия с лазерным полем был неподвижен, достигает значения тс2!2. Развитие техники генерации высокоинтенсивных лазерных импульсов сделало возможным проведение лабораторных экспериментов по взаимодействию излучения с веществом в субрелятивистском (а порядка 0.1) и релятивистском (а порядка и более 1) режимах. Передовые лазерные технологии позволяют надеяться на скорое осуществление подобных экспериментов в улътрарелятивистском (а »1) режиме.
Взаимодействие мощных сверхкоротких лазерных импульсов с плазмой, формирующейся на поверхности конденсированных мишеней, является в настоящее время предметом интенсивных экспериментальных и теоретических исследований, направленных на изучение свойств вещества в экстремальном состоянии и создание эффективных компактных источников высокоэнсргстичных - быстрых - частиц и сверхкоротких рентгеновских импульсов. Взаимодействие интенсивного ультракороткого
4
высококонтрастного лазерного импульса с закритической плазмой1, индуцированной передним фронтом импульса и обладающей резким профилем плотности, приводит к формированию наиболее коротких импульсов рентгеновского излучения (как когерентного, так и некогерентного) и ионов с наибольшими энергиями
Лазерно-плазменная генерация быстрых частиц открывает оптике пути в традиционные прикладные сферы ядерной науки и физики высоких энергий, наиболее актуальной из которых является терапия раковых заболеваний с использованием пучков быстрых протонов. Формирование высокоэнергетичных электронов в лазерно-индуцированной плазме является важнейшим элементом технологии быстрого поджига инерциального термоядерного синтеза. Успех этих и многих других приложений во многом зависит от понимания механизмов разогрева частиц в закритической плазме с резкой границей. Очень важен вопрос о направлении распространения быстрых электронов и ионов и их пространственных распределениях. Движение быстрых электронов у поверхности и внутри мишени порождает различные как коллективные когерентные (возникновение амбиполярного поля, генерация гармоник высокого порядка), так и столкновительныс некогерентные (тормозное излучение рентгеновских волн) явления.
В субрелятивистском режиме взаимодействия света с приповерхностной плазмой существеннейшим препятствием для формирования и разогрева быстрых электронов является низкая эффективность поглощения света в плотной высокотемпературной плазме. При интенсивностях лазерного импульса свыше 1016 Вт/см2 (но ниже 1018 Вт/см2) большая часть энергии падающего излучения отражается от плотной плазмы. Для повышения эффективности поглощения применяют тонкие пленки, а также мишени различного атомного состава и различной объемной и поверхностной структуры. Увеличение эффективности разогрева плазмы можно обеспечить путем модификации приповерхностного слоя плотной мишени. В экспериментах по облучению мишеней из высокопористого кремния [6-8] было зарегистрировано существенное повышение эффективности генерации жесткого некогерентного рентгеновского излучения по сравнению с однородными мишенями. Теоретическое объяснение увеличения эффективности поглощения субрелятивистских фемтосекундных лазерных импульсов в высокопористых мишенях необходимо для целого ряда практических приложений, а
1 Критическая плотность пе ~ - плотность плазмы, при которой частота падающего света равна
плазменной частоте
5
также представляет самостоятельный интерес для исследования механизмов поглощения света в плазме твердотельной плотности.
Получение аттосекундных (с длительностью в диапазоне 10'|8-10*15 с) импульсов (АН) электромагнитного излучения - одна из актуальных задач лазерной физики и нелинейной оптики [9]. Объект пристального внимания фундаментальной науки, АИ представляют значительный интерес как наиболее чувствительный инструмент диагностики сверхбыстрых процессов [10], позволяющий исследовать динамику электронов в атомах и молекулах с субнанометровым и субфемтосекундным разрешением. К настоящему времени, теоретически проанализированы и экспериментально реализованы методы получения АИ, основанные на генерации когерентного коротковолнового излучения при ионизации и последующей рекомбинации атомов в интенсивных лазерных пучках [11,12]. В эксперименте получены как цуги АИ [13], так и одиночные аттосекундныс вспышки электромагнитного излучения [11,14]. К сожалению, эффективность генерации коротковолнового излучения атомами ограничена и очень мала даже при обеспечении условий фазового согласования. В связи с созданием лазерных систем, генерирующих поля с интенсивностью вплоть до 1022Вт/см2 [1], особенно актуальным становится иной путь получения широкого спектра когерентного излучения (и, тем самым, короткого импульса), обеспечивающий высокую эффективность нелинейно-оптического преобразования, - нелинейпое взаимодействие сверхсильного светового поля с закритической плазмой [15].
Аналитическое описание взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов с плотной, в том числе пространственно неоднородной плазмой чрезвычайно сложно и до сих пор не проводилось, в то же время эффективными в данном контексте являются методы численного моделирования. В настоящей работе проведены численные исследования взаимодействия мощных сверхкоротких световых импульсов с плазмой, образующейся на поверхности конденсированных, в том числе нанопористых, мишеней и в тонких пленках. Для этого применялся метод частиц в ячейках (раїїісіе-іп-сеїі) [16-20], усовершенствованный с целью учета кулоновских столкновений между частицами, что особенно важно в режиме субрелятивистских интенсивностей света.
Цели работы:
1. Исследование генерации быстрых электронов при облучении плотных сред фемтосекундными импульсами в субрелятивистском и релятивистском режимах взаимодействия. Изучение пространственных распределений электронов,
6
генерируемых в приповерхностной плотной плазме фемтосекундными импульсами субрелятивистской и релятивистской интенсивности. Исследование влияния жесткой фокусировки пучка на генерацию быстрых электронов.
2. Исследование поглощения короткого светового импульса в плазме твердотельной плотности и влияния пористой структуры мишени на эффективность ее разогрева в субрелятивистском режиме взаимодействия. Оценка вкладов различных механизмов разогрева электронов плазмы и поиск новых механизмов.
3. Исследование возможности получения изолированных (во времени) аттосекундных рентгеновских импульсов при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса релятивистской интенсивности с тонким плазменным слоем твердотельной плотности. Изучение возможности генерации одиночных АИ в плосковолновой геометрии и в режиме жесткой фокусировки лазерного излучения.
Научная новизна
1. Предложена схема генерации аттосекундных рентгеновских импульсов при воздействии сверхкоротким высокоинтенсивным лазерным импульсом на плотную плазму с резким профилем плотности. Показано, что скачкообразное разрушение плазменного слоя в процессе взаимодействия сверхкороткого ультрарелятивистского лазерного импульса с тонкой (по сравнению с длиной волны света) свободновисящей пленкой обусловливает возможность эффективной генерации одиночных аттосекундных рентгеновских импульсов как в плосковолновой геометрии, так и в режиме жесткой фокусировки лазерного излучения.
2. Продемонстрировано увеличение эффективности поглощения света в высокотемпературной плотной плазме с наномасштабными неоднородностями по сравнению с эффективностью поглощения света в плоской мишени. Показано, что ключевую роль в возрастании температуры и количества «быстрых» электронов играет рост эффективной частоты необратимых процессов взаимодействия быстрых электронов с неоднородным электромагнитным полем вблизи неоднородностей, т.е. увеличение частоты столкновений электронов с поверхностью вещества.
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.
7
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 сверхинтснсивного лазерного излучения с приповерхностной плазмой твердотельной плотности, в том числе пространственно неоднородной.
2. Предложена схема генерации одиночного аттосекундного рентгеновского импульса при воздействии интенсивным высококонтрастпым лазерным импульсом на тонкую пленку. Показано, что при правильной постановке эксперимента в этом случае могут быть получены АИ с длительностями порядка десяти аггосекунд.
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 сверхинтснсивного 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.
8
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 квазииериодические 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
9
- Киев+380960830922