Способ ускорения электронов до релятивистской кинетической энергии в сильных лазерных полях является фундаментальной проблемой в физике взаимодействия света с веществом. Хотя электромагнитные поля лазерного импульса заставляют свободный электрон, ранее находившийся в покое, совершать колебания с чрезвычайно высокими скоростями, эти колебания снова прекращаются, когда световой импульс проходит. Чистая передача энергии посредством такого прямого ускорения заряженной частицы в лазерном поле невозможна. Этот фундаментальный принцип, который часто обсуждается на экзаменах по физике, применим для определенных граничных условий, касающихся пространственной протяженности и интенсивности лазерного импульса.
Только при определенных, различных граничных условиях электроны действительно могут получать чистую передачу энергии за счет ускорения от сильного лазерного поля. Эти условия могут быть установлены, например, фокусировкой лазерного импульса или наличием сильных электростатических полей в плазме.
Во всем мире ученые ищут решения, как быстро извлекать электроны из чрезвычайно сильных лазерных полей и как можно получить короткие электронные импульсы с высокой плотностью заряда с помощью ультракоротких лазерных импульсов.В световых полях релятивистской интенсивности (I> 1018 Вт / см2) электроны колеблются со скоростями, близкими к скорости света. Соответствующая кинетическая энергия достигает значений от МэВ до ГэВ (при I> 1022 Вт / см2.
Сильные световые поля реализуются путем фокусировки ультракоротких лазерных импульсов с высокой энергией до областей в несколько микрометров. Полученное пространственное распределение интенсивности уже позволяет ускорение электронов до высоких кинетических энергий.
Этот процесс известен как пондеромоторное ускорение. Это важный процесс для взаимодействия между сильными световыми полями и веществом.
Однако различные теоретические исследования предсказывают, что количество электронов и их кинетическая энергия может быть значительно увеличена за счет прямого ускорения в лазерном поле, но только если взаимодействие электронов со светом прерывается должным образом. Эти соображения были отправной точкой для экспериментов Джулии Бренцель и ее коллег из Института Макса Борна. .В экспериментах в MBI электроны отделялись от светового импульса в определенный момент времени с помощью разделительной фольги, непрозрачной для лазерного света, но способной пропускать быстрые электроны. Мы смогли показать, что этот метод приводит к увеличению количества электронов с высокими скоростями.
Сначала импульс Ti: сапфирового лазера мощностью 70 ТВт (2 Дж при 35 фс) облучает тонкую фольгу-мишень толщиной 30–100 нм, состоящую из ПВФ-полимера. В направлении распространения лазера около 109 электронов ускоряются до энергии в несколько МэВ за счет пондеромоторной силы. Во время этого взаимодействия фольга почти полностью ионизируется и превращается в плазму.
Для достаточно тонкой фольги мишени толщиной менее 100 нм часть падающего лазерного света может проходить через плазму. Проходящий свет начинает догонять электроны, уже испущенные в этом направлении. Это соответствует квази-внутренне синхронизированной инжекции медленных электронов в прошедшее, но все же релятивистское лазерное поле (Эксперименты, проведенные в группе Матиаса Шнурера, демонстрируют, что можно получить усиление электронного сигнала, которое максимизируется на определенном расстоянии.
Усиление пропадает на очень больших расстояниях. Многочисленные измерения, а также численное моделирование подтвердили гипотезу о том, что электроны с высокой кинетической энергией действительно могут быть извлечены из светового поля, если они должным образом разделены. Если разделительная фольга расположена в оптимальном положении, медленные электроны с кинетической энергией ниже 100 кэВ ускоряются примерно до десятикратной кинетической энергии.
Этот эффект приводит к концентрации электронов в узком интервале энергий. В отличие от экспериментов, использующих другой механизм ускорения лазерного кильватерного поля, где уже было продемонстрировано образование электронов с энергией ГэВ, продемонстрированное здесь прямое лазерное ускорение можно масштабировать до высоких интенсивностей лазерного излучения и высоких плотностей плазмы.
Помимо фундаментального понимания взаимодействия лазера с веществом, прямое лазерное ускорение, продемонстрированное в этой работе, обещает будущую реализацию компактных источников релятивистских электронов.