Генерация интенсивного когерентного электромагнитного излучения при взаимодействии мультитераваттного лазерного импульса с нанопроволочной мишенью

Аннотация: Исследована генерация когерентного излучения ИК и терагерцевого диапазонов при распространении мультитераваттного лазерного импульса вдоль нанопроволочной мишени. В процессе взаимодействия плотные сгустки электронов вытесняются из мишени и ускоряются в лазерном поле, генерируя при этом интенсивное электромагнитное излучение. В зависимости от длительности и формы лазерного импульса могут быть реализованы три режима взаимодействия. В первом режиме, когда лазерный импульс достаточно длинный (десятки и сотни фемтосекунд), электроны вытесняются из мишени лишь частично. Характеристики низкочастотной части спектра формируемого излучения определяются в этом случае длительностью лазерного импульса, а также его амплитудой и параметрами мишени (геометрическими размерами и концентрацией электронов в ней). Во втором режиме лазерный импульс имеет большую амплитуду и крутой фронт (амплитуда первой полуволны порядка максимальной амплитуды импульса), в результате бóльшая часть электронов вытесняется из мишени уже в начальный момент взаимодействия. В этом режиме могут формироваться униполярные и биполярные импульсы с длительностью в десятки периодов лазерного поля. Изменение длины мишени позволяет управлять периодом осцилляций поля и их числом в формируемом излучении. В промежуточном режиме коротких лазерных импульсов с недостаточно крутым фронтом могут возникать колебания сформированных сгустков электронов в макроскопическом кулоновском поле притяжения заряженной мишени, что приводит к появлению излучения с частотой, в несколько раз меньшей частоты лазерного излучения. При этом импульсы генерируемого излучения содержат несколько периодов поля с уменьшающейся амплитудой и увеличивающейся частотой. С помощью численного моделирования в трех режимах взаимодействия найдены характеристики ИК и терагерцевого излучения, в частности определены формы импульсов, диапазоны генерируемых частот, амплитуды и угловые распределения излучения. Показано, что амплитуда формируемого импульса может достигать субрелятивистских и релятивистских значений (напряженность поля более 1 ТВ/м при частоте, в десять раз меньшей частоты лазерного излучения), а эффективность преобразования по энергии может быть порядка одного процента.

Ключевые слова: взаимодействие мощных лазерных импульсов с веществом, ускорение электронов лазерными импульсами, генерация терагерцевого и ИК излучения, наноразмерные мишени.