Прямое ускорение электронов радиально поляризованым лазерным импульсом Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 533.951

ПРЯМОЕ УСКОРЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ РАДИАЛЬНО ПОЛЯРИЗОВАНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ

С. Г. Бочкарев1, К. И. Попов2, В. Ю. Быченков3

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 119991 Москва, Ленинский проспект, д. 53 Университет Альберты, Т6С 2С1 Эдмонтон, 11322 - 89 Авеню, Канада

Исследовано прямое ускорение электронов остросфокусиро-ванным сверхмощным лазерным импульсом радиальной поляризации в ультрарелятивистском режиме. Изучен режим, при котором размер пятна фокусировки оказывается одного порядка с длиной волны лазерного излучения. Расчет электромагнитных полей производился с помощью точных дифракционных интегралов Страттона-Чу. Расчеты показали, что, как и для случая линейной поляризации, чрезвычайно острая фокусировка (в дифракционный предел) не является оптимальной для ускорения электронов, несмотря на наличие сильного аксиального поля именно в случае субмикронного лазерного пятна. В то же время случай умеренной фокусировки является более привлекательным для ускорения электронов. Ключевые слова: прямое ускорение электронов, сверхмощный лазерный импульс.

В настоящее время с использованием лазерно-плазменных методов ускорения частиц уже получены пучки электронов с энергией в интервале 0.1-1 ГэВ с применением сверхмощных лазерных установок, генерирующих ультракороткие лазерные импульсы [1]. Среди возможных механизмов ускорения частиц в ультрарелятивистском режиме

1е-таП: bochkar@sci.lebedev.ru

2е-таП: kpopov@phys.ualberta.ca

3е-таП: bychenk@sci.lebedev.ru

Краткие сообщения по физике ФИ АН

номер 11, 2009 г.

лазерным пучком петаваттной мощности выделяют также и так называемое прямое ускорение. В данном случае частицы ускоряются не в плазменных полях, а непосредственно лазерной волной. В настоящее время обсуждается возможность применения этого механизма для генерации коллимированных ионных пучков (протоны, углерод и кислород), применяемых, например, в адронной терапии. Также было предложено использовать импульсы радиальной поляризации с целью оптимизировать выход быстрых частиц [2].

В данной работе для исследования прямого ускорения частиц мы используем точное решение уравнений Гельмгольца с помощью дифракционных интегралов Стреттона Чу. Предполагается, что лазерное излучение фокусируется идеально отражающим параболическим зеркалом, имеющим радиус Го- На зеркало падает гауссовый (с гауссовым профилем поперечного сечения) световой пучок радиальной поляризации с радиусом перетяжки г0/2. Вычисления полей проводилось в полной аналогии со схемой, описанной в [3] для случая линейной поляризации излучения. Для выяснения влияния фазы была проведена серия расчетов для различных фаз лазерного поля. Изначально пробные электроны располагались в прямоугольной области, перпендикулярной фокальной плоскости лазерного пучка. Середина этой области (размер 50 мкм х 10 мкм, с длинной стороной, лежащей вдоль лазерной оси) проходит через фокус. Из-за аксиальной симметрии пучка достаточно было рассмотреть только одну такую плоскость. Эволюцию движения каждого пробного электрона будем описывать, исходя из уравнений Лоренца:

¿р ^ V х В ¿г _ р

сИ с ' (Н "утесУ

где V, р и 7 - скорость электрона, его импульс и кинетическая энергия (в единицах энергии покоя, тес2). Расчеты траекторий проводились на временном интервале 0 < I < 1000 фс для изначально покоящихся частиц по формулам (1) при фиксированной мощности и длительности лазерного импульса (120 ТВт, 30 фс, длина волны Л = 1 мкм), для различных значений диаметра пятна 1.8, 3.2, 4.7, 5.5 мкм. Максимальная энергия ускоренных электронов достигает 166, 131, 120, 122 МэВ, соответственно. На рис. 1 представлены угловые спектры быстрых электронов, усредненные по фазе поля, т.е. доля быстрых частиц с конечной энергией >50 МэВ, вылетающих из фокальной области под углом 0 к лазерной оси, нормированная на полное число модельных частиц N0 = 3.2 • 105 для каждого значения фазы поля. Угол в отсчитывается от направления распространения лазерного импульса.

3-10

-3

€

10

ч-3

0

10

20

30

40

©,град

Рис. 1. Угловые спектры быстрых электронов для трех различных значений диаметра фокального пятна д (по уровню половинной интенсивности): д = 3.2А (штриховая линия), (1 — 4.7А (сплошная линия), д = 5.5А (пунктирная линия).

Проведенное моделирование свидетельствует о формировании джетов быстрых электронов, имеющих в поперечном сечении кольцевую форму. Расчеты показали, что, как и для случая линейной поляризации, чрезвычайно острая фокусировка лазерного пучка (в дифракционный предел) не является оптимальной для ускорения электронов, несмотря на наличие сильного аксиального поля именно в случае субмикронного лазерного пятна. В то же время случай умеренной фокусировки является более привлекательным для ускорения электронов. Из-за аксиальной структуры радиального поля следует ожидать большее число быстрых частиц именно для этого случая.

[1] W. P. Leemans, B. Nagler, A. J. Gonsalves, el al., Nat. Phys. 2, 696 (2006).

[2] Y. I. Salamin, Z. Harman, and C. H. Keitel, Phys. Rev. Lett. 100, 155004 (2008).

[3] K. I. Popov, V. Yu. Bychenkov, W. Rozmus, and R. D. Sydora, Phys. Plasmas 15, 013108

По материалам 3 Всероссийской молодежной школы-семинара "Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики", Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.

ЛИТЕРАТУРА

(2008).

Поступила в редакцию 14 октября 2009 г.