group
Группа теории пучково-плазменного взаимодействия

Главная

Контакты

Исследования

Содержание

  1. Введение
  2. Проблема "терагерцового провала"
  3. Механизм пучково-плазменной антенны
  4. Генерация узкополосного когерентного излучения в плазме под действием встречных лазерных импульсов
  5. Полномасштабное моделирование экспериментов по инжекции тонкого электронного пучка в замагниченную плазму
  6. Вычисление инкремента неустойчивости горячего электронного пучка в замагниченной плазме в рамках точной кинетической теории с учётом релятивистских эффектов
  7. Повышение уровня электромагнитной эмиссии за счёт трёхволнового процесса слияния продольных плазменных волн в поперечную электромагнитную волну в системе с двумя встречными электронными пучками в плазме при специальным образом подобранных параметрах

Проблема "терагерцового провала"

На данный момент существует проблема отсутствия мощного перестраиваемого по частоте источника терагерцового излучения, сопоставимого по параметрам с источниками в микроволновом и оптическом диапазонах. Эта проблема часто упоминается в литературе как проблема терагерцового зазора (“THz gap”), внутри которого стандартные методы вакуумной электроники и квантовой оптики теряют свою эффективность. В последние 20 лет этот зазор начал активно заполняться, при этом наиболее заметный прогресс был достигнут в генерации широкополосного излучения, представляющего собой короткий импульс, состоящий из половины периода колебания электрического поля. Было предложено большое количество различных лазерных и ускорительных схем, позволяющих генерировать пикосекундные когерентные импульсы с амплитудами до 100 МВ/см и полной энергией до 1 мДж, таких как генерация на разностной частоте двух различных лазеров, оптическое выпрямление одиночных фемтосекундных лазерных импульсов в нелинейных кристаллах, переходное излучение высокоэнергетических электронных пучков, облучение твердых мишеней релятивистскими интенсивными лазерами, взаимодействие лазера с газовой и кластерной плазмой. Прогресс лазерных схем в генерации узкополосного излучения оказался более скромным, в связи с чем источники такого излучения существенно отстали по основным параметрам от широкополосных схем. Наиболее мощные ТГц импульсы с характерной пиковой мощностью 1 МВт, энергией 10-30 мкДж и перестройкой по частоте в диапазоне 1-10 ТГц до сих пор способны генерироваться только на таких дорогостоящих ускорительных установках, как лазеры на свободных электронах. Между тем, создание более мощных источников перестраиваемого ТГц излучения с узкой спектральной линией и высокими значениями электрических полей сегодня весьма востребовано, поскольку открывает абсолютно новые возможности в таких междисциплинарных областях, как управление различными физическими процессами в конденсированных средах (фотоиндуцированная сверхпроводимость, фазовые переходы, спиновые волны), инициация поверхностных химических реакций, высококонтрастная визуализация и спектроскопия, лазерная абляция.

Различные схемы для генерации узкополосного терагерцового излучения активно исследуются как ускорительным, так и лазерным научными сообществами. Из существующих источников самые высокие параметры излучения в диапазоне 1-20 ТГц демонстрируют лазеры на свободных электронах. В связи с большими масштабами и ограниченной доступностью таких установок, существует потребность в создании более компактных источников, которые бы обеспечивали высокую мощность и энергию ТГц импульсов, могли легко перестраиваться по частоте и допускали работу как в узкополосном, так и в широкополосном режимах. Большая часть вновь предлагаемых схем, нацеленных на совмещение всех этих свойств, как правило, основана на профилировании электронных или лазерных пучков. Предварительно разбитый на сгустки электронный пучок может генерировать когерентные ТГц импульсы с большим числом периодов колебаний за счёт синхротронного излучения в ондуляторах или за счёт переходного излучения при прохождении пучка через металлическую фольгу. Предполагается, что такие ускорительные источники смогут иметь относительно компактные размеры 3-4 м. Для нижней части ТГц диапазона (до 1 ТГц) разрабатываются гиротроны с импульсными магнитными полями. Узкополосное ТГц излучение предлагается генерировать также и в схеме оптического выпрямления либо модулированных лазерных импульсов в органических кристаллах, либо коротких лазерных пучков в периодически поляризованных кристаллах ниобата лития. Среди других лазерных схем генерации узкополосного терагерцового излучения стоит упомянуть фотопроводящие антенны и генерацию на разности частот двух инфракрасных или оптических лазеров.

Наиболее перспективной, на наш взгляд, нелинейной средой, позволяющей конвертировать энергию коротких лазерных импульсов в мощное низкочастотное излучение, является плазма. Возбуждаемые в ней колебания могут достигать экстремально больших значений электрического поля (десятков ГВ/см), что повышает эффективность их участия в различных нелинейных процессах. Поскольку эти колебания потенциальны, для линейной конверсии их энергии в ЭМ волны необходимы либо регулярная неоднородность плотности плазмы, либо внешнее магнитное поле. Обе эти возможности, позволяющие генерировать излучение на плазменной частоте, обсуждались ранее. При этом в схемах с неоднородной плазмой спектральная линия излучения не может быть узкой из-за разброса в значениях плазменной частоты, а схемы с внешним магнитным полем не могут работать в верхней части терагерцового диапазона (5-30 ТГц).

В нашей недавней работе было обнаружено, что нелинейное взаимодействие кильватерных волн, возбуждаемых в плазме этими импульсами, может приводить к эффективной генерации излучения на удвоенной плазменной частоте. В рамках данной работы проводилось более глубокое изучение теории генерации узкополосного ТГц излучения в плазме под действием встречных лазерных импульсов фемтосекундной длительности с помощью численного моделирования методом частиц-в-ячейках, а также оценка перспектив использования такого рода генераторов излучения. Первые теоретические оценки показали, что с помощью данной схемы с помощью лазеров петаваттного класса можно генерировать импульсы узкополосного ТГц излучения с энергией, превосходящей все существующие рекорды, достигнутые на лазерах на свободных электронах. Кроме того, успешная реализация такой схемы позволит создавать компактные источники мощного узкополосного ТГц излучения с помощью настольных фемтосекундных лазерных систем.

Также наши исследования показали, что эффективная генерация ТГц излучения возможна в плазме с электронным пучком за счёт механизма пучково-плазменной антенны.

Наверх

Группа теории пучково-плазменного взаимодействия, 2018