Relativistisk selvfokusering giver mid-IR-drevne elektroner et boost

Konventionelle partikelacceleratorer kan variere fra store enheder i rumstørrelse til faciliteter med flere kilometer på tværs. En af de måder, som forskere har søgt for at reducere størrelsen og omkostningerne ved fremtidige acceleratorer, er ved at udvikle laserdrevet plasmaacceleration. Sådanne acceleratorer, imidlertid, vokser i størrelse og kompleksitet for at bevare relevansen for en af ​​deres applikationer – højenergifysik. Imidlertid, der er mange applikationer, der kan bruge en accelereret stråle med lavere energi og højere gentagelseshastighed. For første gang, videnskabsmænd har observeret produktionen af ​​relativistiske elektroner drevet af lavenergi, ultrakorte mid-infrarøde laserimpulser. Et forskerhold ved University of Maryland, USA, med støtte fra det tekniske universitet i Wien, Østrig, vil præsentere deres gruppes resultater kl Grænser i optik + Laser Science APS/DLS (FIO + LS), afholdt 17.-21. september 2017 i Washington, DC.

"Vi forsøger at udvikle laserdrevne acceleratorer, der er ekstremt kompakte og har en høj gentagelseshastighed, " sagde Howard Milchberg, Fellow i The American Physical Society (APS) og The Optical Society (OSA), og professor i fysik og elektroteknik ved University of Maryland. "Det betyder at bruge så lav en laserpulsenergi som muligt til at generere relativistiske elektroner. Sådanne kilder kunne have brug for hurtig scanning til medicinsk, videnskabelige og sikkerhedsmæssige applikationer."

For nylig, udviklingen af ​​optisk parametrisk chirp pulse amplification (OPCPA) systemer i det mellem-infrarøde har muliggjort brugen af ​​lange bølgelængde pulser på femtosekund skalaen. Indtil denne udvikling, lange bølgelængde laserimpulser har primært været tilgængelige fra CO2-lasere, men de har en kompliceret multi-puls struktur med pulsvarigheder, der forlænges, på den korteste varighed, ud over flere picosekunder, hundredvis af gange længere.

Almindelige laserdrevne accelerationseksperimenter afhænger af kort laserpulsinteraktion med et gasmål. Sammenlignet med tidligere eksperimenter, den lange driverbølgelængde, der blev brugt i dette projekt, resulterede i let adgang til det, der kaldes "kritisk tæthed"-regimet. Fordi den kritiske tæthed varierer omvendt som kvadratet af laserbølgelængden, gasmål, der bruges til mid-IR laserimpulser, kan være op til 100 gange mindre tætte end dem, der bruges i den synlige og nær-IR, gør dem langt mindre vanskelige at konstruere.

"Når nogle få millijoule femtosekunders midt-IR-laserimpulser fokuseres af et buet spejl ind i en brintgasstråle - en strøm af brint, der puster ud af en dyse - stråler en kollimeret puls af relativistiske elektroner ud på den anden side af strålen, " sagde Milchberg, beskriver eksperimentet. "Imidlertid, dette kan ikke ske, medmindre laseren opnår en ekstrem høj intensitet - meget højere end det kan opnås ved at fokusere med det buede spejl alene. Det gør den ved relativistisk selvfokusering i den ioniserede brintgas, så den kollapser til en størrelse, der er meget mindre end dens brændpunkt."

Vigtigheden af ​​at være i det kritiske tæthedsregime, ifølge Milchberg, er, at det fremmer relativistisk selvfokusering selv for lavenergilaserimpulser. Denne forstærkede højintensitetsinteraktion genererer plasmabølger, der accelererer nogle af elektronerne fra det ioniserede brint til en fremadrettet relativistisk stråle.

Holdet fandt ud af, at elektronstråler var til stede for kræfter, således at den karakteristiske selvfokuserende længde i plasma var kortere end, gas jet bredde, viser, at elektronacceleration ikke kan forekomme uden relativistisk selvfokusering.

Relativistisk selvfokusering er et ekstremt eksempel på den velkendte proces med selvfokusering i ikke-lineær optik, men nu med bonus af accelererede relativistiske partikler genereret fra det ikke-lineære medium.

Selv med kun 20 millijoule mid-IR laserenergi, laseren i disse eksperimenter kan væsentligt overskride tærsklen for relativistisk selvfokusering, giver anledning til relativistisk multifilamentering. Holdet observerede flere relativistiske elektronstråler forbundet med disse filamenter.

Disse innovationer er blandt de første skridt til udvikling og anvendelse af laserdrevne acceleratorer med høj gentagelseshastighed. "I særdeleshed, " sagde Milchberg, "Femtosekundlasere med lang bølgelængde er særligt lovende, da de kan få adgang til det relativistiske ikke-lineære regime af frie elektroner overraskende nemt."