Dokument: Generation and propagation of energetic particles in relativistic laser-matter interactions

Titel:	Generation and propagation of energetic particles in relativistic laser-matter interactions
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=3021
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20050127-001021-5
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Shorokhov, Oleg [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 1,31 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 09.02.2007 / geändert 09.02.2007
Beitragender:	Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Gutachter]
Stichwörter:	Soliton, kohärente Fokussierung, hohe Harmonische, relativistisch, Laser-Plasma, Teilchenbeschleunigung, Zeptosekundenpulse, nichtlineare Schrödingergleichung, Schwinger Grenzesoliton, coherent focusing, high harmonics, relativistic, laser-plasma, particle acceleration, zeptosecond pulses, nonlinear Schrödinger, Schwinger limit
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	In dieser Dissertation werden theoretisch die physikalischen Prozesse untersucht, die bei der Wechselwirkung von Laser und Materie bei Laser Intensitäten im Bereich 10^16-10^23 W/cm^2 stattfinden. Bei diesen Intensitäten wird die Materie sofort ionisiert, so dass wir, vom Anfang an, Laser-Plasma Wechselwirkungen betrachten. Die Elektronendynamik ist relativistisch und nicht linear für Intensitäten über 10^18 W/cm^2. Wir konzentrieren uns auf die analytische Betrachtung des Problems und verwenden particle-in-cell Simulationen um unsere Nährungen zu untersuchen und die analytischen Ergebnisse zu überprüfen. Wir untersuchen die Mechanismen für Ionenbeschleunigung in Plasmen. Diese sind von besonderem Interesse für viele Anwendungen, wie z.B. inertial confinement fusion, Imaging in dichten Plasmen und Medizin (z.B. für Krebs Therapie). Ein theoretisches Model für Protonenbeschleunigung in elektronen Plasmawellen wird konstruiert. Die Anwendung von Targets aus Ionenmischungen wird vorgeschlagen. Wir zeigen, dass Protonen bis zu relativistischen Energien mittels Laser mit der relativistischen Amplitude a0~(mp/me)^(1/2) beschleunigt werden können. Wir schlagen einen Mechanismus für Selbstkomprimierung von Laser Pulse in unterdichten Plasmen vor. Eine Selbstkonsistente analytische Theorie der Selbstwirkung wird entwickelt. Die Theorie sagt vorher, dass in Abhängigkeit von den Anfangsparametern, der Laserpuls entweder ins Unendliche divergieren kann, oder seine ursprüngliche Form erhalten kann (der Soliton Regime), oder um die Gleichgewichtssolitonlösung oszillieren kann. Diese Oszillazionen können dazu verwendet werden, den Laserpuls bis zu einer Dauer von sub-10 fs zu komprimieren. Ein weiteres Kompressionsmechanismus nutzt die Wechselwirkung zwischen Laser und Plasma am Rande eines überdichten Plasmas aus. Bei dieser Wechselwirkung, erzwingt der Laserpuls große longitudinale Oszillationen an der Plasma Grenze. Dies führt dazu, dass der Laserpuls von einem relativistish oszillierenden Plasmaspiegel reflektiert wird. Aufgrund Retartadionseffekte, enthält die reflektierte Strahlung hohe Harmonische der einfallenden Welle. Es wird entdeckt, dass das Spektrum universell ist und die Form ω^(-5/2) hat. Mit Hilfe der Eigenschaften dieses Spektrums, können extrem kurze Pulse (mit einer Dauer der Ordnung des Bohr'schen Radius) produziert werden. Die hohen Harmonischen können kohärent auf einen sehr kleinen Bereich fokussiert werden, wo ihre Felder konstruktiv interferieren und enorme Intensitäten produzieren - coherent harmonics focusing (CHF). CHF kann z.B. dazu verwendet werden die Schwinger Grenze der Brechung des Vakuums zu erreichen. In the presented thesis we theoretically investigate physical processes, which take place in laser-matter interactions for laser intensities in the range 10^16-10^23 W/cm^2. For these intensities matter is instantly ionized, so that we consider laser-plasma interactions from the very beginning. The electron dynamics is relativistic and essentially non-linear for intensities above 10^18 W/cm^2. We concentrate on the analytical description of the problem and use particle-in-cell simulations to check our approximations and to confirm the analytical results. We investigate mechanisms of ions acceleration in plasma. These are of significant interest for various applications, including inertial confinement fusion, imaging in overdense plasmas and medicine (e.g. cancer hadron therapy). An analytical model for proton acceleration in electron plasma wave was developed. The usage of ion mixture targets is proposed. We show that protons can be accelerated to relativistic energies by lasers with the relativistic amplitude a0 ~ (mp/me)^(1/2) . We propose a mechanism for the laser pulse self-compression in underdense plasmas. A self-consistent analytical theory of this laser self-action was developed. The theory predicts that depending on the initial parameters, the laser pulse can either disperse to infinity, or maintain its initial form (soliton regime), or oscillate around the equilibrium soliton solution. These oscillations can be used to compress the laser pulse down to a sub-10 fs duration. Another compression mechanism uses the process of laser-plasma interaction at the sharp boundary of an overdense plasma. During this interaction, the pulse drives strong longitudinal oscillations of the plasma boundary. As a result, the laser pulse is reflected from a relativistically oscillating plasma mirror. Due to retardation effects, the reflected radiation contains high harmonics of the incident wave. It is discovered, that the reflected radiation spectrum is universal and obeys the power law ω^(-5/2). Using the properties of this spectrum, extremely short pulses (duration of order of the Bohr radius) can be produced. The high harmonics can be focused coherently to a very narrow spot, where their fields interfere constructively and produce immense intensities - coherent harmonics focusing (CHF). CHF can be applied, for instance, in order to reach the Schwinger limit of vacuum breakdown.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik
Dokument erstellt am:	27.01.2005
Dateien geändert am:	12.02.2007
Promotionsantrag am:	20.01.2005
Datum der Promotion:	20.01.2005