[論文レビュー] High energy density plasma mediated by collisionless resonance absorption inside dielectrics

Kazem Ardaneh, Rémi Meyer+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2021

Laser-induced spectroscopy and plasma被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、フェムト秒Besselビームを用いて、サファイア内での過臨界プラズマ密度の生成を、初めて実証した。これにより、衝突なし共鳴吸収が主なエネルギー吸収機構として機能する。このプロセスは、エネルギー密度が最大で約1 MJ/cm³に達する、波長未満のスケールのプラズマロッド（直径約75–200 nm）を形成し、センチメートルスケールの長さにわたり、高エネルギー密度物理学を閉じた幾何形状で実現可能にする。

ABSTRACT

We demonstrate for the first time to our knowledge the generation of overcritical plasma densities inside transparent solids over long distances using femtosecond laser pulses. This opens new avenues for high energy density physics in confined geometry such as warm dense matter study or the synthesis of new material phases. We show both with experiments and first-principles simulations, that femtosecond conical interference via a Bessel beam creates a dense plasma rod with typically 100 nm diameter in sapphire. The interaction is in ideal conditions to trigger collisionless resonance absorption. This mechanism plays a primary role in the energy deposition process, yielding a plasma with an energy density on the order of MJ/cm3 and a length that can reach several cm using only tabletop femtosecond lasers.

研究の動機と目的

• 透明な固体における過臨界プラズマ形成を妨げるガウシアンビームの波の屈曲という根本的制限を克服すること。
• 誘電体内に高密度プラズマに効率的にエネルギーを結合できる代替ビーム幾何形状の探索。
• ボトムアップのエネルギー吸収機構としての衝突なし共鳴吸収が、バルク誘電体で支配的であることを実証すること。
• 横方向に波長未満の制限をもつ、縦方向にセンチメートルスケールにわたる高エネルギー密度プラズマの生成と特性評価。
• 温暖密度物質の研究およびエプシロン・ニア・ゼロ材料における非線形光学のための新規プラットフォームの実現。

提案手法

• 数値的NA 0.4のゼロ次Besselビームを用い、狭い遠方k空間スペクトルを持つ円錐干渉パターンを実現する。
• EPOCHコードを用いた第一原理3次元粒子-場（PIC）シミュレーションにより、レーザー-プラズマ相互作用およびプラズマの進化をモデル化する。
• 第二高調波生成（SHG）像と遠方照射度測定を含む、補足的な実験的診断を実施する。
• エネルギー堆積解析を用いてプラズマ吸収効率を測定し、実験的SHG放射とシミュレーション結果を比較する。
• SHG強度比とステファン＝ボルツマンの法則を用いて、プラズマ温度を推定する。
• シミュレートされたと実験的なSHGの偏光および方位分布の一致を通じて、過臨界プラズマ状態の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒レーザーパルスを用いて、透明誘電体のバルク内に過臨界プラズマ密度を生成できるか？
• RQ2 このような相互作用において、衝突なし共鳴吸収が主なエネルギー吸収機構であるか？
• RQ3 波の屈曲効果が存在するにもかかわらず、センチメートルスケールの伝搬距離にわたり、プラズマが過臨界のままで維持可能か？
• RQ4 ビーム幾何形状（Bessel対ガウシアン）が、高密度プラズマへの効率的エネルギー結合に果たす役割は何か？
• RQ5 サファイアのような中心対称誘電体のバルクからの第二高調波放射は、共鳴吸収の診断に有効か？

主な発見

• 0.4 NAのBesselビームを用いることで、サファイア内に横方向直径75–200 nmの過臨界プラズマ密度を達成した。
• 衝突なし共鳴吸収が主なエネルギー吸収機構であり、レーザーパルスエネルギーの約50％を吸収した。
• サファイアのバルクから第二高調波放射が観測され、基本波と平行な偏光であるため、共鳴吸収の確認がされた。
• SHG強度比とステファン＝ボルツマンの法則を用いて、プラズマ温度は約10 eVと推定された。
• プラズマに堆積したエネルギー密度は約1 MJ/cm³に達し、物質を温暖密度物質状態に誘導するのに十分であった。
• Besselビームの円錐的かつ伝搬不変の幾何形状により、ミリジュールパルスエネルギーで、センチメートルスケールの長さにわたり過臨界プラズマを生成可能となった。