Формирование релятивистских электронных сгустков и импульсов ультрафиолетового диапазона с помощью сверхинтенсивного лазерного излучения

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА» ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ «Формирование релятивистских электронных сгустков и импульсов ультрафиолетового диапазона с помощью сверхинтенсивного лазерного излучения»
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время существует острая проблема создания мощного компактного источника рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение находит широкое применение как в прикладных областях, таких как медицинская диагностика, промышленная дефектоскопия, так и в фундаментальных, это, прежде всего рентгеновская спектроскопия. На данный момент наиболее мощным источником некогерентного рентгеновского излучения является синхротронное излучение при движении релятивистских электронов в электромагнитном поле. Недостатком таких источников являются громоздкие размеры установки. Лазеры на свободных электронах являются наиболее мощными источниками когерентного излучения. В них используются релятивистские электроны, создаваемые линейными ускорителями, и такие лазеры способны создавать рентгеновское излучение с яркостью на несколько порядков больше, чем излучение в синхротронных источниках. В Стэндфордской национальной ускорительной лаборатории работает линейный ускоритель, создающий энергию электронов порядка 14 ГэВ. Полученный пучок электронов попадает в ондулятор — периодическую систему отклоняющих (электрических или магнитных) полей. В результате на выходе можно получить когерентное рентгеновское излучение с энергией фотонов 8 кэВ, длительностью импульса от 1 до 200 фс и интенсивностью до 1020 Вт см-2 [1]. Со временем энергия пучков частиц, а также энергия генерируемого излучения растет за счет увеличения размеров ускорителей. Таким образом, предел энергии излучения может быть достигнут при строительстве ускорителя с диаметром равным земному. Недостатком такого источника рентгеновского излучения также являются довольно большие размеры. Как известно, при отражении встречной волны от движущегося с релятивисткой скоростью зеркала частота отраженной волны может увеличиться, т.е. энергия импульса увеличивается за счет передачи энергии от зеркала. Из рис.1 можно видеть схематическое изображение
формирования отраженной волны с увеличенной частотой. Из лоренцевского формализма легко получается формула, которая связывает частоту отраженного импульса с частотой падающего: где 0 частота падающего импульса, 0- угол падения импульса в лабораторной системе,  =V/c – безразмерная скорость. Такой эффект получил название релятивистский эффект Доплера. Одним из способов создания рентгеновского излучения может как раз являться использование релятивистского эффекта Доплера, в результате которого возможно увеличение частоты импульса на несколько порядков. Рисунок 1 - Схематическое изображение падающей и отраженной волны с сопутствующим увеличением частоты. Для генерации рентгеновских импульсов необходимо создание тонких релятивистских электронных пленок с толщиной порядка нескольких десятков нанометров с плотностью близкой к твердотельной, что в настоящий момент возможно с использованием лазерных установок петаваттной мощности с длительностью импульса в несколько десятков фемтосекунд. Например, в Ливерморской национальной лаборатории (США) лазерная установка позволяет создавать импульсы с длительностью 440 фс и мощностью до 1ПВт [2]. Известно также, что сейчас активно используются тонкие графеновые пленки, толщина которых может достигать монослоя углерода [3]. При нормальном падении такого импульса на тонкую плазменную пленку электроны могут быть практически полностью вытеснены из нее в направлении распространения импульса. При этом электроны достигают релятивистских скоростей, за время, намного меньшее, чем период лазерного поля. Диаметр сгенерированных релятивистских электронных пленок может составлять порядка нескольких десятков микрон, что намного больше их толщины. Таким образом, сгенерированные релятивистские электронные пленки можно рассматривать как электронные зеркала.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Достаточно много работ в последнее время посвящено теоретическим исследованиям по формированию релятивистских электронных зеркал мощными лазерными импульсами [4-7]. Также уже были проведены некоторые эксперименты по данной тематике [8-9]. В [10] было исследовано формирование релятивистских электронных зеркал с различными параметрами начальной концентрации и толщины, так, чтобы кулоновское взаимодействие внутри слоя при данном сочетании параметров сохранялось. Были построены зависимости  фактора электронов от амплитуды ускоряющего импульса, а также изложена теория для одномерного формирования электронного зеркала. В [11] было исследовано с помощью численного моделирования формирование релятивистского зеркала из тонкой пленки нанометровой толщины. Было показано, что в результате отражения от сформированного зеркала форма отраженного импульса практически не меняется при изменении амплитуды падающего импульса в диапазоне от малых значений до значений амплитуды ускоряющего импульса. Также была получена зависимость коэффициента отражения встречного импульса от его амплитуды в указанном выше диапазоне значений. В [12] исследовалась с помощью численного моделирования возможность формировать релятивистские электронные зеркала с толщиной в несколько десятков нм из тонких плазменных слоев газовой концентрации. Было показано, что минимальная толщина сформированного электронного зеркала от безразмерной амплитуды ускоряющего импульса от 4 до 20 уменьшается с ростом амплитуды, при этом кривая достаточно точно согласуется с расчетами, полученными аналитическим путем. Исследовалось формирование релятивистских электронных зеркал как из однородных пленок, так и неоднородных и было показано, что из неоднородной пленки