Влияние числа цилиндрических азимутальных мод на энергетические и угловые спектры электронов при моделировании лазерно-плазменного ускорения в подкритической плазме

Аннотация: Численное моделирование взаимодействия лазерного излучения с плазмой методом частиц в ячейках (particle-in-cell, PIC) в цилиндрической геометрии с разложением электромагнитных полей по азимутальным модам (azimuthal modes decomposition, AMD) позволяет существенно сократить вычислительные затраты по сравнению с 3D расчётами, однако в режимах с нарушением аксиальной симметрии его точность зависит от числа учитываемых мод m. В работе проведён систематический анализ AMD-подхода для двух режимов лазерно-плазменного ускорения: классического кильватерного (LWFA) в разреженной плазме (n_e = 0.005n_cr) и самомодулированного (SM-LWFA) в плотной плазме (n_e = 0.03n_cr). Показано, что для аксиально-симметричного LWFA достаточно m = 2 мод. Для SM-LWFA, характеризующегося развитием нарушающих симметрию неустойчивостей, требования к числу мод выше: для корректного воспроизведения энергетического спектра ускоренных электронов необходим учёт m = 4 мод, а для воспроизведения углового спектра – m = 12 мод. Даже при учёте 12 мод вычислительные затраты AMD-расчёта оказываются почти в восемь раз ниже, чем для 3D моделирования. Полученные результаты имеют особую значимость для тераваттных лазерных систем с высокой частотой следования, где SM-LWFA является основным механизмом ускорения, поскольку позволяет увеличить градиент ускорения и заряд пучка.

Ключевые слова: экстремальные световые поля, лазерное ускорение заряженных частиц, электронные пучки, PIC-моделирование, самомодулированное лазерное кильватерное ускорение, азимутальные моды.