ИСТИНА

Ускорение электронов в фемтосекундной лазерной плазме с протяженность порядка длины волны греющего лазерного излучения и более идет через возбуждение плазменных волн благодаря различным нелинейным механизмам. Поиск оптимальных условий для генерации электронов с большими энергиями ставит ряд задач, требующих изучения нелинейных процессов генерации плазменных волн. Лазерное излучение, рассеянное на этих волнах, несет информацию о частотах, волновых числах и локализации в пространстве. Первой задачей исследования является поиск зависимостей между параметрами рассеянного излучения и процессами возбуждения плазменных волн для выяснения отвечающих за эти процессы механизмов. Второй задачей является разработка методов диагностики плазмы, основанных на измерении характеристик рассеянных плазмой гармоник.

Electron acceleration in femtosecond laser plasma with scalelength L≥λ is due to nonlinear plasma wave excitation. Optimization of high energy electrons generation requires study of nonlinear laser-plasma interaction and wave excitation. Radiation scattered by waves carries information about their frequencies, wave numbers and space localization. The first task of this work is to find dependencies between scattered radiation intensity and angular distribution and plasma waves generation to find out the mechanisms of waves excitation. The second task is to develop methods of plasma diagnostics based on the scattered harmonics radiation measurements.

В ходе исследования планируется изучить процессы возбуждения волн электронной плотности и генерации оптических гармоник в лазерно-плазменном взаимодействии при субрелятивистских интенсивностях с использованием экспериментальных данных и результатов численного моделирования, что должно существенно расширить представления о физике указанных явлений. В частности: -- Измерить характеристики оптического излучения плазмы в экспериментах по взаимодействию лазерного излучения с субрелятивистской интенсивностью с различными плазменными градиентами при различных углах падения. -- Получить эти же характеристики из результатов численного моделирования при условиях, соответствующих условиях в экспериментах -- Провести анализ параметрических процессов в четверть критической плотности и установить тип неустойчивости (вынужденное комбинационное рассеяние, двухплазмоный распад или их суперпозиция) для различных параметров взаимодействия. -- Установить механизмы генерации и получить угловые распределения излучения второй и полуторной гармоник. -- Создать методику диагностики параметров плазмы, основанную на анализе частотно-угловых характеристик оптических гармоник Это необходимо для решения актуальной на данный момент задачи создания лазерно-плазменных источников горячих электронов и рентгеновского излучения, а так же для поиска оптимальных параметров взаимодействия для получения максимальных выхода и энергий частиц в таких источниках.

Экспериментальная лаборатория МГУ обладает большим опытом по эксплуатации фемтосекундных лазерных систем высокой мощности. У авторов имеется большой опыт по проведению экспериментов по взаимодействию высокоинтенсивного лазерного излучения со специально подготовленной на поверхности твердотельной мишени плазмой. В распоряжении авторов имеется аппаратно-диагностический комплекс, включающий в себя рентгеновскую, электронную, ионную и интерферометрическую методики характеризации плазмы. На сегодняшний момент получены экспериментальные результаты по генерации быстрых электронов в плазме при увеличении интенсивности лазерного излучения от умеренной до суб-релятивистской (от 5х10^16 до 10^18 Вт/см^2)[1,2]. Наблюдались также генерация тормозногогамма-излучения с энергиями квантов до 10 МэВ и электроны с средней энергией свыше 2МэВ. С использованием этого излучения проведены эксперименты по фоторасщеплению дейтерия и бериллия с регистрацией нейтронов[3]. Продемонстрировано принципиальное влияние контраста лазерного импульса на ускорение электронов. Так, при использовании твердотельных мишеней зарегистрирован значительный рост средней энергии быстрых электронов (с 300 до 2000 кэВ) при наличии протяженного градиента электронной плотности, создаваемого искусственным предымпульсом. Результаты численного моделирования с помощью 3D3V PIC кода МАНДОР на суперкомпьютере Ломоносов и вычислительном узле, имеющимся распоряжении авторов, позволили установить основные механизмы генерации горячих электронов в экспериментах с предымпульсом. Кроме того, для оценки параметров преплазмы с помощью этого кода были получены зависимости выхода второй и полуторной гармоник от протяженности L плазменного градиента. Сопоставление этих данных с экспериментальными позволило грубо оценить протяженность преплазмы.

Измерены характеристики оптического излучения лазерной плазмы, а именно его угловых и спектральных характеристики в эксперименте по взаимодействию с плазмой на поверхности твердотельной мишени при различных ее протяженностях и углах падения лазерного импульса на мишень. Экспериментальные результаты поддержаны численным моделированием с использованием PIC – кода. Получено хорошее согласие численных результатов с экспериментальными. • Предложены различные методики обработки результатов численного моделирования. Пространственная и временная Фурье фильтрация и построеный на ней анализ пондеромоторных сил позволяет идентифицировать и визуализировать механизмы, отвечающие за возбуждение плазменных волн. Так же методы фильтрации позволяют выделить источники тока, отвечающие за генерацию излучения второй и полуторной гармоник. Анализ пространственного спектра этих источников позволяет показать, для каких волновых чисел выполняются условия синхронизма и источник начинает излучать электромагнитную волну. При помощи пространственного Фурье преобразования получаются угловые распределения излучения гармоник для сравнения с экспериментальными результатами. • В численном эксперименте показано, что при наклонном падении под углами 450-600 p-поляризованного лазерного излучения с интенсивностью в диапазоне 1017-5*1019 Вт/см2 на плазму с масштабом неоднородности 0,5-3λ0 основным механизмом возбуждения плазменных волн является гибридная неустойчивость ВКР – двухплазмонный распад. Генерирующиеся при этом волны имеют широкий пространственный спектр Δk~k0 вдоль оси, направленной по градиенту электронной концентрации, что непосредственно связано с уширением пространственного спектра волны накачки при отражении от сильно неоднородной плазмы. Проекции волновых чисел на ось, направленную вдоль поверхности плазмы, близки к ~1.2k0 и ~0.2k0. • Моделирование показало, что ключевой особенностью генерации излучения на частоте 3/2ω0 в неоднородной плазме L=0.5-3λ0 является немедленное выполнение условий синхронизма, не требующее распространения плазмонов. Оно достигается благодаря широкому пространственному спектру Δk~k0 плазмонов и волны накачки. • Впервые показано, что уже при субрелятивистских интенсивностях наблюдаются новые механизмы генерации излучения на частоте 3/2ω0 на высших гармониках нелинейных плазменных волн. Полученные из моделирования угловые характеристики излучения на частоте 3/2ω0 хорошо согласуются с наблюдаемыми в эксперименте. • На основе измерения выходов второй и полуторной оптических гармоник разработан метод оценки протяженности преплазмы. Сопоставление выхода излучения на частотах 3/2ω0 и 2ω0, измеренного в эксперименте, с полученным в численном моделировании позволяет для плазменных градиентов L=0.1-5λ0 оценить протяженность вблизи критической электронной концентрации, что затруднительно сделать стандартной для такой задачи интерферометрией.