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Generación de pulsos ultracortos de radiación ultravioleta en la interacción relativista de láseres con plasmas. 2da. Etapa

Responsable: RICARDO ONDARZA ROVIRA

Objetivos:

El objetivo principal del proyecto es desarrollar estudios en física de plasmas que permitan tanto formular modelos teóricos, como implementar códigos de simulación numérica para explicar el mecanismo de la generación de armónicos de alto orden en la interacción de pulsos cortos de luz láser intensa con plasmas densos, así como la generación de pulsos ultracortos de radiación láser en el rango de los attosegundos de duración. Como objetivos particulares, se estudian aquellos efectos del plasma que se producen durante la interacción, para encontrar la relación de éstos con la generación de armónicos. Se realizan simulaciones numéricas para diferentes escenarios de la interacción de pulsos intensos de duración en el rango de femtosegundos con plasmas de densidad supercrítica. Se estudian los efectos producidos en la generación de armónicos por la producción de partículas relativistas y por la formación y propagación de ondas de plasma. En particular, se exploran los efectos del plasma en los espectros de emisión armónica y la ley de decaimiento correspondiente de la potencia armónica y se formula un modelo teórico que permita explicar las distintas desviaciones de la ley de decaimiento que caracterizan los espectros de emisión en las interacciones ultrarelativistas.

Espectro de emisión por reflexión en la interacción ultra-relativista de un pulso de luz láser de femtosegundos de duración con un plasma supercrítico

Antecedentes:

Diversos aspectos de la física de la interacción de láseres con plasmas han cobrado gran interés durante las dos últimas décadas en los principales centros y laboratorios de investigación en el mundo. Se han realizado estudios en áreas que conciernen  la propagación  de luz láser intensa en plasmas densos, la absorción de radiación y transporte térmico de la energía absorbida en un plasma y de la generación de campos magnéticos intensos, entre otros. Otra área de la física de la interacción plasma-láser a la que se le ha dado notable atención atañe al campo ampliamente conocido como inestabilidades paramétricas, inestabilidades inducidas por la luz y que incluyen, por ejemplo, las dispersiones Raman (SRS) y Brillouin (SBS) estimuladas, pudiendo éstas ser de importancia en la absorción efectiva de la energía de un láser en un plasma. En ambas inestabilidades uno de los productos del decaimiento es una onda electromagnética, pudiendo resultar en una fuente de disipación de energía. En el caso de SRS el segundo producto es una onda de plasma, mientras que en SBS la onda en cuestión es iónica. Disrupciones en la propagación de la luz por variaciones en la densidad constituyen otra fuente posible de inestabilidades que conlleva a fenómenos de filamentación y que debido a esto y a las inestabilidades en general,  es que gran atención se les haya dado con el objeto de poder prevenirlas. En experimentos de pulsos cortos que usan láseres de longitud de onda larga, la absorción resonante es un proceso dominante, mientras que para pulsos de duración larga con longitudes cortas, la absorción es predominantemente clásica (inverse bremsstrahlung). Muchos otros fenómenos forman la extensa variedad de facetas que caracterizan la interacción de luz láser con plasmas, entre los que cabe citar, por ejemplo, a la generación de armónicos y de intensos campos magnéticos del orden de gigagauss en regiones espaciales de escala pequeña, entre otras.

Con los avances de la tecnología actual, haces de duración corta (< 1 ps) han permitido irradiar blancos a intensidades altas (≥ 1018 W/cm2 ) [1]. El desarrollo de estos dispositivos, conocidos como T3 (tabletop-terawatt), ha hecho permisible irradiar materiales a mayores potencias  (≥ 1 TW), basándose en principios ópticos conocidos como amplificación de pulso (CPA). Esta técnica ha superado las limitaciones que en el pasado se tenían para almacenar altas densidades de energía que afligían a previos dispositivos láser de estado sólido. El concepto de CPA proliferó rápidamente desde su primera aplicación a mediados de los años 80´s y se ha convertido en una técnica ampliamente empleada en el dominio de la física de láseres intensos, conocido alternativamente como ciencia de campos intensos.  Algunos de los procesos de plasma-láser que se encuentran en la literatura en conexión con pulsos de luz intensa involucran conceptos como las guías ópticas, la excitación de radiación coherente a múltiplos enteros de la onda fundamental y la generación de ondas de plasma de gran amplitud, así como el renovado interés en la generación de intensos campos magnéticos. Estos procesos conciernen, en diferente grado, a los esquemas de aceleración  y en investigación de fusión láser. Esta última ha retomado nuevo ímpetu a partir de propuestas novedosas como la del Fast Ignitor (FI) [2], que usaría un pulso para comprimir el blanco y después en la etapa final – y sólo entonces – encender el combustible. El FI alcanzaría la ignición por medio de un pulso de luz ultra-intenso enfocado en un plasma de densidad sólida. En dicho dispositivo la chispa de ignición es proporcionada por el flujo de electrones relativistas en una escala de tiempo suficientemente corta para que la expansión hidrodinámica sea despreciable.

El principal interés para el programa de trabajo del proyecto aquí propuesto corresponde a una faceta particular de la física de la interacción de láseres con plasmas: en la generación de armónicos ópticos de alto orden, múltiplos de la frecuencia fundamental, por un plasma denso irradiado por un pulso de femtosegundos a intensidades altas [3-10]. En esta área de investigación se ha mostrado un gran interés por el desarrollo de fuentes de generación de radiación en el régimen de los rayos x [3], y que como se explicó anteriormente, constituye un campo de aplicación  potencial diversa en diferentes disciplinas y campos de estudio.

La generación de armónicos es generalmente asociada con la producción de electrones energéticos en un plasma. Tal es el caso de la radiación sincrotrónica donde electrones de energía relativista radian espectros de emisión a frecuencias armónicas de Larmor, como es el caso de los estudios de emisión de microondas por columnas de plasma  en presencia de campos magnéticos, y donde tantos como 40 armónicos han sido observados [13]. Cuando una fuente de radiación incide en un plasma, los campos electromagnéticos asociados inducen corrientes transversales debido al movimiento de los electrones acelerados en dichos campos. El contenido armónico surge de los efectos relativistas en el movimiento de los electrones y se encuentra ampliamente descrito en la teoría clásica de la dispersión Thomson por electrones libres. Sin embargo, en un plasma no denso los efectos de acumulación de carga debido a la parte longitudinal del movimiento crea una fuente que cancela casi totalmente las correcciones de masa relativista. Por esta razón, los plasmas que son ópticamente transparentes a la radiación electromagnética son fuentes débiles e ineficientes de emisión de armónicos. La intensidad de la emisión aumenta conforme el plasma se torna más denso, y por ende, opaca a la radiación incidente.

En contraste con el límite no denso, para plasmas con densidad mayor que la crítica, la fuente dominante que genera los armónicos corresponde a las perturbaciones de densidad alrededor de la superficie crítica. Trabajo experimental realizado en el Laboratorio Nacional de Los Alamos [15] reportó la observación de 46 armónicos. En aquel entonces, el orden más alto se pensó que correspondía tanto a la emisión de la zona de plasma más densa como a ondas de plasma superficiales producidas por la absorción resonante de la interfase plasma-vacío. Posteriormente, se demostró  [16] que ha intensidades mayores a 1018 W/cm2 el corte en el espectro de frecuencias predicho  por teorías anteriores desaparece. En principio, más de 60 armónicos pueden ser generados con eficiencias superiores a 10-6, para densidades de plasma ne/nc = 10 – 30, donde ne es la densidad de electrones y nc la densidad crítica  del plasma.

El trabajo realizado por Gibbon [17] ha demostrado que para dichas intensidades el efecto del corte en el espectro de emisión desaparece y armónicos de alto orden en el rango de rayos uev pueden ser emitidos, efecto presuntamente debido a inestabilidades y perturbaciones de densidad en la superficie del plasma. Estas predicciones han sido corroboradas recientemente en el laboratorio Rutherford del Reino Unido [16], donde 70 armónicos fueron generados a partir de la irradiación de hojas delgadas de aluminio por pulsos de 2.5 ps de duración a intensidades del orden de 1019 W/cm2 .

La emisión de rayos x tiene aplicaciones diversas en varios campos de estudio, en particular en el régimen conocido como ventana de agua y ofrece la posibilidad del estudio de células vivas (holografía biológica) evitando el daño en sus estructuras [18-19], además de que proveería la resolución temporal suficiente para capturar los procesos dinámicos en escalas de sub-nanosegundos. Aplicaciones importantes de fuentes coherentes xuv pueden encontrarse en el diagnóstico de plasmas, como en la determinación de la densidad del plasma por medio de técnicas interferométricas. Fuentes de luz de duración de nanosegundos pueden también encontrar aplicación en el campo de la litografía.

Las áreas de investigación arriba mencionadas se encuentran íntimamente relacionadas con un número de facetas en la física de la interacción plasma-láser, y son de interés para el programa de trabajo aquí descrito y constituyen campos específicos de investigación y de aplicación tecnológica. Entre éstas, es de interés para este proyecto la generación de armónicos de alto orden –en el rango de los rayos x- múltiplos de la frecuencia fundamental, por un plasma denso [4-9], la absorción de energía y la formación de frentes de choque iónico [11] y la generación de electrones relativistas [12-13].

En el área de investigación correspondiente al tema de estudio del proyecto propuesto cabe citar el trabajo realizado por el responsable y publicado éste en revistas de especialidad y de arbitraje estricto. Como se describió anteriormente, la emisión armónica del plasma se estudio en una etapa inicial [10], haciendo uso de un modelo de fluido simple Lagrangiano,  cual permitió tener una descripción del movimiento de la dinámica de los electrones para estudiar el comportamiento no lineal del plasma en términos de las posiciones localizadas de las partículas. Haciendo uso de este formalismo fue posible obtener espectros numéricos de emisión que se asemejan y guardan relación con aquellos observados mediante el  experimento. Además se comprobó que la forma del pulso de luz es un factor importante para la determinación de las características espectrales de la interacción. Se hizo uso, además, de simulaciones de partículas y se obtuvo la primera evidencia numérica de la generación de líneas de emisión en la frecuencia de plasma. Este resultado se extendió en otro trabajo [20] donde se estudió esa línea de emisión, proponiéndose un mecanismo para la generación de éste a partir de la interacción de ondas de plasma. Se reportó adicionalmente la observación de una línea de emisión en un múltiplo y medio de la frecuencia del plasma, así como de la generación de armónicos correspondientes a múltiplos de esa frecuencia. Más reciente es la publicación de resultados numéricos en los que se predice un efecto de resonancia en la emisión de armónicos de luz reflejados durante la interacción de pulsos ultracortos e intensos sobre plasmas de densidad superdensa [21].  En este trabajo se propone un modelo para explicar el origen de estas resonancias,  y se sugiere un  mecanismo de conversión eficiente de la energía incidente en la producción de electrones rápidos.

En relación al estudio del movimiento de partículas cargadas en campos electromagnéticos, se han obtenido soluciones exactas para el caso de la interacción con  ondas de polarización y amplitud arbitraria [22]. Adicionalmente, se han obtenido soluciones para situaciones en las que un campo magnético uniforme y estático se encuentra además presente en la dirección de propagación de la onda. Estos trabajos permitirán plantear modelos para el estudio de la dinámica de los electrones en un plasma. En particular se hará énfasis en el comportamiento de los electrones en un plasma alrededor de la superficie crítica, así como aquellos electrones acelerados hacia el interior del plasma [23-29].

En un trabajo posterior [30] se realizaron simulaciones numéricas para explorar la transición del decaimiento 8/3 en la potencia en los espectros de emisión a un régimen descrito por otra potencia menor de 5/3, o menor comúnmente de 4/3. La desviación del espectro de 8/3 se interpretó como una consecuencia en la medida en que la emisión del plasma y sus armónicos contribuyen en el espectro. Posteriormente, se estudió la dinámica de los electrones en el plasma y se encontró una fuerte correlación entre los pulsos de luz reflejada y los efectos del plasma. Las fuentes de pulsos de attosegundos se encontró ser originados en sitios de alta concentración electrónica, para los cuales existe correspondientemente un generación de campos electrostáticos intenso [31]. En un trabajo posterior [32] se continuó con el estudio de los efectos del plasma en los espectros de emisión en el régimen de interacción ultrarelativista, y se encontró que estos efectos ocurren principalmente en el rango de 1 < S <5, donde S es el parámetro de similaridad definido por el cociente ente la densidad y la amplitud de campo, con potencias espectrales de decaimiento descritas por el índice 5/3, principalmente o bien por 4/3.

Referencias

[1] D. Strickland and G. Morou, Opt. Commun. 56, 219 (1985).

[2] M. Tabak et al., Phys. Plasmas 1 (5), 1626 (1994).

[3] J. Zhang et al., Phys. Rev. Lett. 74 (8), 1335 (1995).

[4] S. C. Wilks et al., IEEE Trans. On Plasma Sci. 21 (1), 129 (1993).

[5] R. Lichters et al., Phys. Plasmas 3 (9), 3425 (1996).

[6] S. V. Bulanov et al., Phys. Plasmas 1 (3), 745 (1994).

[7] R. Ondarza, Rev. Mex. Fís. 44 (1), 55 (1998).

[8] T.J.M. Boyd and R. Ondarza., 24th European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM), Madrid, Spain (1996).

[9] T.J.M. Boyd and R. Ondarza R., International Conference on Plasma Physics, Prague, Czech Rep. (1998).

[10] R. Ondarza and T.J.M. Boyd, Phys. Plasmas 7 (5), (2000).

[11] J. Denavit, Phys. Rev. Lett. 69 (21), 3052 (1992).

[12] J.C. Kieffer et al., Phys. Rev. Lett. 62, 760 (1989).

[13] D.D. Meyerhofer et al., Phys. Fluids B 5, 2584 (1993).

[14] G. Landauer, Plasma Physics 4 (6), 395 (1962).

[15] R.L. Carman et al., Phys. Rev. A 24 (5), 50 (1981).

[16] P. Gibbon, Phys. Rev. Lett. 76 (1), 50 (1996).

[17] P.A. Norreys et al., Phys. Rev. Lett. 76  (11), 1832 (1996).

[18] C. Tillman et al., J. Opt. Soc. Am. B 13 (1), 209 (1996).

[19] C.L. Gordon, Optics Lett. 20 (9), 1056 (1995).

[20] T.J.M. Boyd and R. Ondarza, Phys. Rev. Lett. 85 (7), 1440 (2000).

[21] R. Ondarza, Phys. Rev. E 67, 066401 (2003).

[22] R. Ondarza, IEEE Trans. Plasma Sci. 29 (6), 903 (2001).

[23] R. Ondarza, IEEE Trans. Plasma Sci. 32 (2), 903 (2004).

[25] R. Ondarza, Rev. Mex. Fís. 51 (4), 415 (2005).

[26] T.J.M. Boyd and R. Ondarza, J. Phys. IV 133, 479 (2006).

[27] T.J.M. Boyd and R. Ondarza, J. Plasma Phys. 73 (3), 307 (2007).

[28] T.J.M. Boyd and R. Ondarza-Rovira, Rev. Mex. Fís. 52 (2), 143 (2006).

[29] T.J.M. Boyd and R. Ondarza-Rovira, Phys. Rev. Lett. 98, 105001 (2007).

[30] T.J.M. Boyd and R. Ondarza-Rovira, Phys. Rev. Lett. 101, 125004 (2008).

[31] T.J.M. Boyd and R. Ondarza-Rovira, Phys. Lett. A 374, 1517 (2010).

[32] T.J.M. Boyd and R. Ondarza-Rovira, Phys. Plasmas 17, 080701 (2010).

Beneficios:

Los estudios realizados contribuyen a ampliar el conocimiento de la física de la interacción de luz láser con plasmas, con aplicaciones potenciales en el confinamiento inercial, en fusión láser, en holografía biológica, en el diagnóstico de plasma, en la generación de campos magnéticos intensos, en la generación de radiación por partículas cargadas y en la generación de armónicos y de pulsos de radiación ultravioleta, entre otros.

Logros Obtenidos:

En los artículos citados se hace una revisión y discusión de los resultados obtenidos, tanto propios como de otros autores, que han sido publicados recientemente en revistas de especialidad. Se discute en esta contribución diversos aspectos de la física de la generación de armónicos de luz láser en interacciones ultrarelativistas de pulsos ultracortos con plasma supercríticos. De acuerdo a los resultados presentados, no solo la emisión del plasma pero también el segundo y el tercer armónico del plasma pueden ser emitidos,  además de que los espectros de emisión se caracterizan por un grado de modulación dependiente de la densidad del plasma, de la intensidad del campo, y críticamente del perfil de intensidad y de la forma del pulso. A intensidades altas, tal que la dinámica de los electrones del plasma se torna ultrarelativista, el espectro de potencias se extiende a regiones de altos órdenes de armónicos caracterizados por un decaimiento relativamente lento del número armónico. La teoría relativista de similaridad  para el decaimiento del espectro de potencia,  propuesto por otros autores, predice un valor p=8/3 que es universal, hasta un valor armónico límite m* en los espectros de emisión. Sin embargo, bajo ciertas circunstancias los efectos del plasma contribuyen fuertemente al espectro, el cual puede resultar en un decaimiento con el número armónico significantemente más débil que el valor universal predicho por el análisis de similaridad. Este efecto ha sido reportado en una publicación anterior y citado por otros autores en la literatura reciente.

Se ha trabajado en un modelo teórico para el estudio de la generación de radiación por dispersión de un haz de electrones energéticos que se propaga en un medio de plasma. Este modelo de radiación está basado en los efectos de dispersión electrónica en regiones de turbulencia del plasma, considerando que los electrones, acelerados por el campo de radiación de la luz láser que incide y penetra en un plasma, atraviesan estructuras locales solitónicas de campo eléctrico. Así, la primera etapa de este modelo estudia analíticamente la dinámica de un electrón en el campo de luz perturbado por el campo electrostático de un soliton. Dicha formulación del campo tiene su origen en la oscilación de dipolo, descrito en forma general por las ecuaciones de Zaharov en la teoría de turbulencia fuerte.

En publicaciones anteriores se propuso como fuente de radiación de armónicos de alto orden, en la interacción ultrarelativista de pulsos ultracortos de luz láser con plasmas de densidad supercrítica, a los efectos perturbativos en el interior del plasma de los haces de electrones acelerados al interactuar con campos electrostáticos intensos. Dichos campos presuponen la existencia de estructuras solitónicas en el nuevo modelo propuesto, como fuente de la radiación emitida por el haz de partículas. El método de solución de este  modelo se basa primordialmente en las soluciones analíticas encontradas y publicadas por R. Ondarza en el pasado, del análisis del movimiento de partículas cargadas en un campo de luz láser intenso con polarización arbitraria propagándose a lo largo de un campo magnético externo uniforme, con un término de perturbación adicional para modelar el campo solitónico descrito.

Colateralmente al modelo mencionado previamente, se han realizado simulaciones numéricas para el estudio de la dinámica de partículas cargadas aceleradas por  un campo de radiación intenso de polarización lineal con un término adicional que describe la respuesta del plasma. Este modelo numérico tienen el propósito de estudiar bajo otra perspectiva la interacción ultrarelativista de pulsos láser ultracortos con los electrones del plasma. Se implementaron subrutinas numéricas para el cálculo de la radiación de partículas en movimiento a través de los potenciales de Liénard-Wiechert, para así calcular los campos de velocidad y los de aceleración. A  través de este modelo numérico se encontraron los espectros de emisión, mismos que presentan similitudes con aquellos previamente obtenidos por medio de la técnica de partículas. La primera implicación de este análisis es de que se han observados efectos del plasma en los espectros armónicos de potencia que explican la ley de decaimiento en los espectros de emisión, en concordancia con los resultados reportados anteriormente por R. Ondarza, en Phys. Rev. Lett. y en Phys. Lett. A.

Artículos en revistas extranjeras

1.     T.J.M. Boyd and R. Ondarza-Rovira, “Plasma effects in attosecond pulse generation”, Phys. Lett. A 374, 1517 (2010).

2.     T.J.M. Boyd and R. Ondarza-Rovira, “Comment on Relativistic high harmonics and (sub-)attosecond pulses: relativistic spikes and relativistic mirror”, by A. Pukhov, T. Baeva, D. an der Brügge and S. Münster,  Eur. Phys. J. D 58, 137 (2010).

3.     T.J.M. Boyd and R. Ondarza-Rovira, “Power law decay of harmonic spectra in ultrarelativistic laser-plasma interactions”.  Physics of Plasmas 17, 080701 (2010).

Trabajos presentados en congresos en el extranjero

1.     “Deviations from the   universal power law decay of harmonic spectra in ultra-relativistic laser-plasma interactions”. XXXI European Conference on Laser Interaction with Matter, September 6-10, 2010, Budapest, Hungary.

2.     “Plasma effects in attosecond pulse generation from ultra-relativistic laser-plasma interactions”. XXXI European Conference on Laser Interaction with Matter, September 6-10, 2010, Budapest, Hungary.

Trabajos presentados en congresos nacionales

“Ley de decaimiento del espectro armónico de emisión en interacciones ultra-relativistas de láseres con plasmas". Taller Bienal 2010, División de Física de Plasmas, Sociedad Mexicana de Física. Instituto de Ciencias Nucleares (UNAM), Instituto de Geofísica (UNAM), Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares (ININ). Septiembre 22-23, 2010.

Tesis de licenciatura

Tesis de Ingeniería.

Estudiante: Jesús Roberto Flores Páez.

Tema: “Estudio de la dinámica de las partículas cargadas en un campo de luz láser intenso”.

Instituto Tecnológico de Toluca.

Fecha: En proceso

Vinculación:

University of Essex, Centre for Theoretical Physics, UK.


Última modificación
31/03/2014 por Tonatiuh Rivero Gutiérrez

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