Close

Субрелятивистские и релятивистские режимы взаимодействия лазерных импульсов с веществом

Физика экстремально высоких электромагнитных полей позволяет разрешить ряд принципиальных вопросов современного построения фундаментальной науки и основ мироздания в целом.  Основные направления экспериментальных исследований связаны с реализацией взаимодействия ускоренных элементарных частиц, что может быть достигнуто в ускорителях или в поле электромагнитных импульсов. Современный уровень лазерных технологий позволяет в лабораторных условиях достигать интенсивностей светового поля, способных ускорять электроны до скоростей, близких к скорости света, и, таким образом, реализовывать релятивистские режимы взаимодействия излучения с веществом, порог наблюдения которых составляет Irel ≈ 5∙1018Вт/см2  при использовании импульсов ближнего и видимого диапазонов.

В результате  взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов релятивистской  интенсивностей с веществом реализуется широкий класс физических эффектов, представляющих большой интерес как для фундаментальной науки, так и для множества практических приложений. В этом отношении можно привести пример взаимодействия сверхмощных лазерных импульсов с плазмой: электромагнитное поле позволяет  ускорить электроны до энергий порядка нескольких МэВ и выше, нелинейные релятивистские осцилляции поверхности плазмы приводят к генерации оптических гармоник высокого порядка, формируя сверхуширенный суперконтинуум, простирающийся от инфракрасного до ультрафиолетового диапазона (рис. 1а). Во временном представлении такой суперконтинуум представляет собой цуг аттосекундных импульсов (1 ас = 10-18 с) – уникального инструмента для зондирования сверхбыстрой динамики на субатомном масштабе (рис. 1b). Релятивистские электронные пучки выступают в качестве источника терагерцового излучения [1] с рекордно высокой яркостью, представляющего большой интерес в медицине, астрономии, и многих других областях.

Рис. 1. Плазма как источник аттосекундных импульсов. а) Поле ускоряет электроны на границе плазмы до релятивистских скоростей. b) Нелинейные осцилляции поверхности плазмы модулируют падающее излучение Epu(t) и генерируют гармоники высокого порядка и аттосекундные импульсы.

Экспериментальные и теоретические исследования субрелятивистских и релятивистских эффектов взаимодействия мощных лазерных импульсов реализуются на базе субпетаватного Ti:Sapphire лазера «Курчатовский» (НИЦ «Курчатовский институт») и тераваттной лазерной системы среднего ИК диапазона (Российский Квантовый Центр). Сочетание используемой экспериментальной техники позволяет анализировать вопросы изменения характера нелинейно-оптических эффектов при использовании лазерных импульсов от ближнего до среднего ИК диапазонов. Законы масштабирования предсказывают значительное снижение требований к интенсивности излучения, необходимой для реализации релятивистских эффектов в среднем ИК диапазоне. В частности, для импульсов с длиной волны порядка 4 мкм оценки предсказывают 25-кратное понижение величины релятивистской интенсивности по сравнению со случаем 800-нм импульсов. С использованием уникального лазерного источника сверхкоротких импульсов среднего ИК диапазона был впервые для данной спектральной области продемонстрирован релятивистский режим взаимодействия излучения с плазмой [2].  Импульсы с центральной длиной волны 3.9 мкм, длительностью 80 фс и энергией 25 мДж, сфокусированные на поверхности плазменной мишени, имели интенсивность ≈ 1017 Вт/см2. Эта величина, будучи низкой по стандартам релятивистской оптики ближнего ИК диапазона, оказалась достаточной для генерации оптических гармоник вплоть до 14-го порядка, спектр и поперечная структура которых обладает ключевыми особенностями, характерными для релятивистского режима (рис. 2).

Рис. 2. (а) Спектр оптических гармоник, индуцированных p- и s-поляризованными импульсами среднего ИК диапазона на поверхности стекла BK7; (b-d) поперечная структура пучков, содержащих гармоники разных порядков.

Для полномасштабного моделирования взаимодействия импульсов с плазмой используется многомерное суперкомпьютерное моделирование методом PIC (particle-in-cell) [3]. В этом методе происходит совместный расчет электромагнитных полей путем решения уравнений Максвелла и интегрирование релятивистских уравнений движения макрочастиц – совокупностей большого числа электронов и ионов. Ресурсоемкие расчеты, требующие эффективного распараллеливания и сотни вычислительных ядер, выполняются нашей группой на суперкомпьютерных комплексах МГУ «Ломоносов» и «Ломоносов-2».

При интенсивностях излучения, меньших Irel, также реализуется генерация оптических гармоник за счет трансформации в электромагнитное излучение плазменных волн, возбуждаемых брюнелевскими электронами (рис. 3). Спектр гармоник в субрелятивистском режиме отражает пространственную структуру границы плазмы. Переход к излучению среднего ИК диапазона приводит к значительному увеличению числа оптических гармоник по сравнению с излучением ближнего ИК диапазона. PIC-моделирование при параметрах лазерного импульса и плазмы, близких к экспериментальным, показывает, что плазма излучает аттосекундные импульсы с длительностью порядка 750 аттосекунд. Также в наших экспериментах продемонстрирован необычный эффект – зависимость частоты отсечки спектра гармоник от величины чирпа лазерного импульса [3]. Это происходит вследствие того, что чирп импульса определяет временную структуру цуга аттосекундных импульсов, являясь, таким образом, прецизионным зондом коллективной электронной динамики.

Рис. 3. Спектр оптических гармоник высокого порядка в субрелятивистском режиме при фокусировке импульсов на поверхность плазмы и PIC-моделирование генерации аттосекундных импульсов.

Анализ электронных траекторий в ходе взаимодействия лазерного импульса с плазмой показывает, что часть высокоэнергетичных электронов покидает плазму и движется в вакууме вместе с отраженным от ее поверхности лазерным импульсом (рис. 4а). Эти электроны, движущиеся с околосветовыми скоростями в виде цуга сверхкоротких импульсов, оказываются синхронизированными с оптическими аттосекундными импульсами (рис. 4b), образуя необычное связанное состояние света и вещества на сверхбыстрых временных масштабах. Испытывая вакуумное ускорение, эти электроны непрерывно набирают энергию порядка нескольких МэВ (рис. 4с). PIC-моделирование показывает, что такие диады оптических и электронных импульсов могут быть сформированы источниками импульсов среднего ИК диапазона, позволяя проводить исследования в схеме накачка-зондирование с беспрецедентно высоким временным разрешением.

Рис. 4. (а) Амплитуда отраженного от плазмы импульса и траектории ускоряемых в вакууме электронов. (b) Аттосекундные оптические и электронные импульсы. (с) Энергетическое распределение электронов при интенсивности накачки  от ≈ 1016 Вт/см2  до ≈ 1018 Вт/см2.

 

  1. A. M. Zheltikov et al. Intensity and wavelength scaling of laser-driven electron transition radiation: toward a table-top source of electromagnetic pulses. Laser Physics Letters 16, 1, 015401 (2018).
  2. A. V.Mitrofanov et al. High-order harmonic generation from a solid-surface plasma by relativistic-intensity sub-100-fs mid-infrared pulses. Optics Letters 43, 22, 5571-5574 (2018).
  3. A. V.Mitrofanov et al. Chirp-controlled high-harmonic and attosecond-pulse generation via coherent-wake plasma emission driven by mid-infrared laser pulses. Optics Letters 45, 3, 750-753 (2020).
  4. P. B. Glek et al. Relativistic electron bunches locked to attosecond optical field waveforms: an attosecond light-matter bound state. Laser Physics Letters, accepted (2020).