«Мы пытаемся разработать ускорители с лазерным приводом, которые были бы чрезвычайно компактными и имели высокую частоту повторения импульсов», — сказал Говард Милчберг, член Американского физического общества (APS) и Оптического общества (OSA) и профессор физики и электротехники. Инженерное дело в Университете Мэриленда. «Это означает использование как можно более низкой энергии лазерного импульса для генерации релятивистских электронов.
Такие источники можно было бы использовать в быстром сканировании изображений для медицинских, научных и охранных приложений».Недавно разработка систем оптического параметрического усиления ЛЧМ-импульсов (OPCPA) в среднем инфракрасном диапазоне позволила использовать длинноволновые импульсы в фемтосекундном масштабе. До этого развития длинноволновые лазерные импульсы были в основном доступны из CO2-лазеров, но они имели сложную многоимпульсную структуру с длительностью импульса, увеличивающейся при самой короткой длительности, превышающей несколько пикосекунд, в сотни раз больше.
Обычные эксперименты по ускорению с помощью лазера зависят от взаимодействия короткого лазерного импульса с газовой мишенью. По сравнению с предыдущими экспериментами, большая длина волны драйвера, использованная в этом проекте, позволила легко получить доступ к так называемому режиму «критической плотности». Поскольку критическая плотность изменяется обратно пропорционально квадрату длины волны лазера, газовые мишени, используемые для лазерных импульсов среднего ИК-диапазона, могут быть до 100 раз менее плотными, чем те, которые используются в видимом и ближнем ИК-диапазонах, что значительно упрощает их проектирование.
"Когда фемтосекундные лазерные импульсы среднего ИК диапазона в несколько миллиджоулей фокусируются изогнутым зеркалом в струю водородного газа — поток водорода, вырывающийся из сопла, — коллимированный импульс релятивистских электронов выходит из другой стороны струи. ", — сказал Мильхберг, описывая эксперимент. «Однако этого не может произойти, если лазер не достигнет чрезвычайно высокой интенсивности — намного большей, чем достижимая при фокусировке только с помощью изогнутого зеркала. Это достигается за счет релятивистской самофокусировки в ионизированном газообразном водороде, так что он схлопывается до размеров намного меньше, чем его фокусное пятно ".
Согласно Мильхбергу, важность режима критической плотности заключается в том, что он способствует релятивистской самофокусировке даже для лазерных импульсов с низкой энергией. Это усиленное взаимодействие высокой интенсивности генерирует плазменные волны, которые ускоряют часть электронов ионизированного водорода в направленный вперед релятивистский пучок.Команда обнаружила, что электронные пучки присутствовали при таких мощностях, что характерная длина самофокусировки в плазме была меньше ширины газовой струи, показывая, что ускорение электронов не может происходить без релятивистской самофокусировки.Релятивистская самофокусировка — это яркий пример хорошо известного процесса самофокусировки в нелинейной оптике, но теперь с бонусом в виде ускоренных релятивистских частиц, генерируемых из нелинейной среды.
Даже имея всего 20 миллиджоулей лазерной энергии среднего ИК-диапазона, лазер в этих экспериментах может значительно превысить порог релятивистской самофокусировки, что приведет к релятивистской мультифиламентации. Команда наблюдала множество релятивистских электронных пучков, связанных с этими нитями.
Эти инновации являются одними из первых шагов для разработки и применения ускорителей с лазерным приводом с высокой частотой повторения импульсов. «В частности, — сказал Мильхберг, — длинноволновые фемтосекундные лазеры особенно перспективны, поскольку они удивительно легко могут получить доступ к релятивистскому нелинейному режиму свободных электронов».