Релятивистская ионизация тяжёлых атомов в поле жёстко фокусированных лазерных пучков экстремальной интенсивности Текст научной статьи по специальности «Физика»

Ш ▲ lilEEEiE* ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА

Релятивистская ионизация тяжёлых атомов в поле жёстко фокусированных лазерных пучков экстремальной интенсивности

Худов А.В.1, Баранов Д.Д.2

1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва

2- Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ, Москва

Е-mail: khudov2015@yandex. ru

DOI: 10.24412/cl-35673-2024-1-54-56

Получение лазерных импульсов мощностью в несколько петаватт (ПВт, 1015 Вт), ставшее возможным в течение последнего десятилетия, открывает широкие перспективы исследований фундаментальных эффектов взаимодействия электромагнитных полей экстремальной интенсивности с веществом и вакуумом [1, 2]. Критически важным параметром, величина которого определяет возможность наблюдения нелинейных явлений классической и квантовой электродинамики при таком взаимодействии, является интенсивность излучения. В настоящее время на лазерной установке СORELS [3], по-видимому, достигнут рубеж ~1023 Вт/см2. С переходом мощности в суб-экзаваттный режим, что, в частности, планируется осуществить в рамках проекта XCELS [4], могут быть достигнуты интенсивности около 1025 Вт/см2. В столь сильных полях будет наблюдаться глубокая ионизация многоэлектронных атомов, приводящая к образованию ионов с зарядом Z ~50. Этот процесс может быть использован в том числе для прямой диагностики сверхвысоких интенсивностей в фокусе лазерного пучка [5].

Ионизация атомов и положительных ионов в интенсивных лазерных полях инфракрасного и оптического диапазона длин волн протекает в туннельном режиме. Чем выше интенсивность, тем ближе динамика ионизации к туннелированию в постоянном поле [6]. Теория туннельной ионизации в сверхсильном электромагнитном поле, в том числе с учетом релятивистских эффектов, была подробно развита в работах В. С. Попова с соавторами [7] (см. также ссылки в обзоре [6]). Однако, в этих работах для описания поля лазерной волны использовали приближение, в котором векторы напряжённости электрического E и магнитного H полей считали

ж „ S5KSKSSH 22-24 октября 2024 г.

Mi "ПРОХОРОвОСМЕ НЕДЕЛИ-

перпендикулярными, хотя и не обязательно равными по величине. Рассматривали также случай параллельных полей.

В случае лазерных пучков петаваттной и суб-экзаваттной мощности получение сверхвысоких интенсивностей излучения возможно только при очень жёсткой фокусировке на уровне дифракционного предела. В этом случае поля E и H в локальной области не ортогональны и не равны по величине. Соответственно, для описания релятивистской ионизации глубоких атомных уровней в таких лазерных полях полученные в [6, 7] результаты нуждаются в обобщении. Это обобщение нетривиально, поскольку задача о релятивистских связанных состояниях является плохо определённой в произвольной инерциальной системе отсчета.

В данной работе мы представляем обобщение квазиклассического выражения для скорости релятивистской ионизации уровня в постоянном электромагнитном поле [7] на случай, когда пространственная конфигурация этого поля произвольна. В расчётах использован метод мнимого времени [6], траектории для которого вычисляют путём перехода в систему отсчёта, в которой поля E и H параллельны, а затем, после обратного перехода в систему покоя многозарядного иона, начальные условия для этих траекторий определяют так, чтобы обеспечить возможность ионизации.

Получены трансцендентные уравнения для комплексного момента ионизации и наиболее вероятного импульса электрона после его выхода из-под потенциального барьера. Численное решение этих уравнений позволяет найти скорость образования многозарядных ионов в сверхсильном жёстко фокусированном поле лазерногоизлучения. Полученные результаты представляют интерес для диагностики мощных лазерных пучков и физики лазерной плазмы.

Авторы выражают благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. Попруженко С.В. за постановку задачи и обсуждение полученных результатов.

1. Попруженко С В., Федотов А.М., УФН. 2023, 193, 491.

2. Fedotov A.M., nderton A., Karbstein F. et al., Phys. Rep. 2023, 1010, 1.

3. Yoon J.W., Kim Y.G., Choi I.W. et al., Optica. 2021, 8, 630.

4. Bashinov A.V., Gonoskov A.A., Kim A.V. et al., Eur. Phys. J. Spec. Top.2014, 223,1105.

_ л SSÄSSESeXS ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА

-ПРОКОГОвСКИЕ НЕДЕЛИ-

5. Gappina M.F., Popruzhenko S.V., Bulanov S.V. et al., Phys. Rev. A. 2019, 99,043405.

6. Попов В.С., УФН. 2004, 174, 921.

7. Мур В.Д., Карнаков Б.М., Попов В.С., ЖЭТФ. 1998, 114, 798.