Путем электроны могут быть ускорены до релятивистских кинетических энергий в сильных лазерных областях, основная проблема в физике взаимодействия легкого вопроса. Хотя электромагнитные поля лазерного пульса вызывают свободный электрон ранее в покое к колебаниям с чрезвычайно высокими скоростями, эти колебания прекращаются снова, когда световой импульс прошел мимо. Передача полезной энергии таким прямым ускорением заряженной частицы в лазерной области не может произойти.
Этот основной принцип – часто обсуждаемый на экзаменах физики – действителен для определенных граничных условий пространственной степени и интенсивности лазерного пульса. Только для особых, различных граничных условий, электроны могут действительно получить передачу полезной энергии через ускорение от сильной лазерной области. Эти условия могут быть установлены, например, сосредоточившись лазерного пульса или при присутствии сильных электростатических областей в плазме.Во всем мире ученые ищут решения, как быстрые электроны могут быть извлечены из чрезвычайно сильных лазерных областей и как можно получить короткие электронные импульсы с высокой плотностью обвинения через ультракороткие лазерные импульсы.
В светлых областях релятивистской интенсивности (I> 1018 W/cm2) электроны колеблются со скоростями близко к скорости света. Соответствующая кинетическая энергия достигает ценностей от MeV до ГэВ (в I> 1022 W/cm2. Области яркого света поняты, сосредоточив ультракороткие лазерные импульсы с высокой энергией вниз в области немногих микрометров. Получающееся пространственное распределение интенсивности действительно уже позволяет ускорение электронов до высоких кинетических энергий.
Этот процесс известен как ponderomotive ускорение. Это – существенный процесс для взаимодействия между областями яркого света и вопросом. Различные теоретические исследования, однако, предсказали, что число электронов и их кинетической энергии может быть далее значительно увеличено прямым ускорением в лазерной области, но только если электронно-легкое взаимодействие прервано правильно сделанным на заказ способом. Эти соображения были отправной точкой для экспериментов Джулией Брэензель и ее коллегами в Институте Макса Борна.
В экспериментах в MBI электроны были расцеплены от светового импульса в конкретный момент вовремя, используя фольгу сепаратора, которая непрозрачна для лазерного света, но может передать быстрые электроны. Мы могли показать, что этот метод приводит к увеличению количества электронов с высокими скоростями.
Сначала, 70 пульса лазера TW Ti:Sapphire (2 Дж 35 фс) освещает целевую фольгу 30 – 100 нм толщиной, состоящую из PVF-полимера. В лазерном направлении распространения, о 109electrons ускорены до нескольких энергий MeV через силу ponderomotive.
Во время этого взаимодействия фольга почти полностью ионизирована и преобразована в плазму.Поскольку достаточно тонкие целевые толщины фольги ниже 100 нм за часть света лазера инцидента могут быть переданы через плазму. Пропущенный свет начинает настигать электроны, уже испущенные в этом направлении.
Это соответствует квазисвойственно синхронизированной инъекции медленных электронов в переданную, но все еще релятивистскую лазерную область (Эксперименты, выполненные в группе Мэттиаса Шнурера, демонстрируют, что увеличение электронного сигнала может полученный и максимизироваться для особого расстояния. Увеличение исчезает для очень больших расстояний.
Многочисленные измерения, а также числовые моделирования подтвердили гипотезу, что электроны с высокой кинетической энергией могут действительно быть извлечены из светлой области, если они расцеплены соответственно. Если сепаратор мешает, расположен в оптимизированном положении, медленные электроны с кинетическими энергиями ниже 100keV ускорены приблизительно к в десять раз более высоким кинетическим энергиям. Этот эффект приводит к концентрации электронов в узком энергетическом интервале. В отличие от экспериментов, используя различный механизм лазерного ускорения области следа, где производство электронов ГэВ было уже продемонстрировано, прямое лазерное ускорение, продемонстрированное здесь, может быть расширено к высокой лазерной интенсивности и высоким плазменным удельным весам.
Вне фундаментального понимания во взаимодействиях лазерного вопроса прямое лазерное ускорение, продемонстрированное в этой работе, открывает перспективу для будущей реализации компактных источников релятивистских электронов.