Forstærkning af relativistiske elektronpulser ved direkte laserfeltacceleration

Kontrolleret direkte acceleration af elektroner i meget stærke laserfelter kan tilbyde en vej mod ultrakompakte acceleratorer. En sådan direkte acceleration kræver rektificering og afkobling af det oscillerende elektromagnetiske laserfelt fra elektronerne på en passende måde. Forskere verden over forsøger at tackle denne udfordring. I forsøg på Max Born Institute, direkte laseracceleration af elektroner kunne nu demonstreres og forstås i detaljer teoretisk. Dette koncept er et vigtigt skridt i retning af oprettelsen af ​​relativistiske og ultrakorte elektronpulser inden for meget korte accelerationsafstande under en millimeter. Resulterende kompakt elektron og relaterede røntgenkilder har et bredt spektrum af applikationer inden for spektroskopi, strukturanalyse, biomedicinsk videnskab og for nanoteknologi.

Måden elektroner kan accelereres op til relativistiske kinetiske energier i stærke laserfelter er et grundlæggende problem i fysikken i lys-stof-interaktion. Selvom en laserpuls elektromagnetiske felter tvinger en fri elektron, der tidligere var i ro til svingninger med ekstremt høje hastigheder, disse svingninger ophører igen, når lyspulsen er gået forbi. En netto energioverførsel ved en sådan direkte acceleration af en ladet partikel i laserfeltet kan ikke finde sted. Dette grundlæggende princip - ofte diskuteret i fysikeksamener - er gyldigt for visse randbetingelser for laserpulsens rumlige omfang og intensitet. Kun for særligt, forskellige randbetingelser, elektroner kan faktisk modtage en netto energioverførsel via acceleration fra det stærke laserfelt. Disse betingelser kan sættes f.eks. ved fokusering af laserpulsen eller tilstedeværelsen af ​​stærke elektrostatiske felter i et plasma.

I hele verden, forskere leder efter løsninger, hvor hurtigt elektroner kan ekstraheres fra ekstremt stærke laserfelter, og hvordan man kan opnå korte elektronpulser med en høj ladningstæthed via ultrakorte laserpulser.

I lette felter med relativistisk intensitet (I> 10 ¹⁸ B/cm ² ) elektroner svinger med hastigheder tæt på lysets hastighed. Den tilsvarende kinetiske energi når værdier fra MeV til GeV (ved I> 10 ²² B/cm ² . Stærke lysfelter realiseres ved at fokusere ultrakorte laserpulser med høj energi ned til områder på få mikrometer. Den resulterende rumlige intensitetsfordeling muliggør allerede acceleration af elektronerne op til høje kinetiske energier. Denne proces er kendt som ponderomotive acceleration. Det er en væsentlig proces for samspillet mellem stærke lysfelter og stof. Forskellige teoretiske undersøgelser, imidlertid, har forudsagt, at antallet af elektroner og deres kinetiske energi kan øges yderligere betydeligt ved en direkte acceleration i laserfeltet, men kun hvis elektron-lys-interaktionen afbrydes på en korrekt tilpasset måde. Disse overvejelser var udgangspunktet for forsøgene af Julia Braenzel og hendes kolleger på Max Born Institute.

I eksperimenterne på MBI, elektronerne blev afkoblet fra lyspulsen på et bestemt tidspunkt, ved hjælp af en separatorfolie, der er uigennemsigtig for laserlyset, men kan transmittere hurtige elektroner. Vi kunne vise, at denne metode fører til en stigning i antallet af elektroner med høje hastigheder. I starten a 70 TW Ti:Safirlaserpuls (2 J @ 35 fs) bestråler en 30 - 100 nm tynd målfolie bestående af en PVF -polymer. I laserudbredelsesretningen, omkring 109 elektroner accelereres op til flere MeV -energi via den ponderomotive kraft. Under denne interaktion ioniseres folien næsten fuldstændigt og omdannes til plasma.

For tilstrækkeligt tynde målfolietykkelser under 100 nm kan en brøkdel af det indfaldende laserlys transmitteres gennem plasmaet. Det transmitterede lys begynder at overhale de elektroner, der allerede udsendes i denne retning. Dette svarer til en kvasi-iboende synkroniseret injektion af langsomme elektroner i de transmitterede, men stadig relativistisk laserfelt ( <8 x 10 ¹⁸ B/cm ² ). Hvis en anden tynd separatorfolie placeres i den korrekte afstand bag den første, forstærkning i elektronsignalet for et bestemt energiinterval observeres. 1a) viser en skematisk oversigt over den tidsmæssige udvikling i forsøget, og fig. 1b) viser en direkte sammenligning af den detekterede elektronspektralfordeling for en enkelt folie og en dobbeltfoliekonfiguration, hvor den anden folie fungerer som en separator. Denne folie er uigennemsigtig for laserlyset, men er gennemsigtig for de hurtige elektroner og muliggør derfor en afkobling af begge. Det tidspunkt, hvor interaktionen mellem elektroner og transmitteret lys afbrydes, afhænger af afstanden mellem de to folier.

Eksperimenterne udført i gruppen af ​​Matthias Schnürer viser, at en forstærkning af elektronsignalet kan opnås og maksimeres for en bestemt afstand. Forstærkningen forsvinder på meget store afstande. Talrige målinger såvel som numeriske simuleringer bekræftede hypotesen om, at elektroner med høj kinetisk energi faktisk kan ekstraheres ud af lysfeltet, hvis de er afkoblet korrekt. Hvis separatorfolierne er placeret i en optimeret position, langsomme elektroner med kinetiske energier under 100 keV accelereres til cirka ti gange højere kinetiske energier. Denne effekt fører til en koncentration af elektroner i et snævert energiinterval. I modsætning til eksperimenter, der anvender den forskellige mekanisme til laservækningsfeltacceleration, hvor produktionen af ​​GeV -elektroner allerede er påvist, den direkte laseracceleration, der er demonstreret her, kan skaleres op til høje laserintensiteter og høje plasmatætheder. Ud over den grundlæggende indsigt i laser-stof-interaktioner, den direkte laseracceleration, der demonstreres i dette arbejde, lover godt for den fremtidige realisering af kompakte kilder til relativistiske elektroner.