[論文レビュー] Volkov States and Non-linear Compton Scattering in Short and Intense Laser Pulses

D. Seipt|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 49被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、ボルコフ状態と相対論的量子電磁力学を用いて、短時間・高強度レーザーパルス中の非線形コンプトン散乱を調査する。パルス長および強度に起因するスペクトル幅拡大をチープドレーザーパルスにより補償可能であることを示し、高強度レーザー（a₀ ≳ 1）でも明るく狭帯域のガンマ線源を実現可能とする。

ABSTRACT

The collision of ultra-relativistic electron beams with intense short laser pulses makes possible to study QED in the high-intensity regime. Present day high-intensity lasers mostly operate with short pulse durations of several tens of femtoseconds, i.e.~only a few optical cycles. A profound theoretical understanding of short pulse effects is important not only for studying fundamental aspects of high-intensity laser matter interaction, but also for applications as novel X- and gamma-ray radiation sources. In this article we give a brief overview of the theory of high-intensity QED with focus on effects due to the short pulse duration. The non-linear spectral broadening in non-linear Compton scattering due to the short pulse duration and its compensation is discussed.

研究の動機と目的

• 短パルスの長さが高強度レーザー・マター相互作用における非線形コンプトン散乱に与える影響を理解すること。
• 有限レーザー帯域幅および強度依存性ポンドモティブ効果に起因するスペクトル幅拡大の原因と大きさを分析すること。
• スペクトル幅拡大を補償する手法を検討し、逆コンプトンX線・ガンマ線源のスペクトル輝度を向上させること。
• ボルコフ状態およびディラック＝ボルコフ伝播関数を用いた強場QEDの理論的枠組みを構築すること。
• 高スペクトル輝度のガンマ線源を、スペクトル劣化を伴わずに高レーザー強度（a₀ ≳ 1）で運用可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 時間依存レーザー場における電子の運動を記述するために、ボルコフ波動関数およびディラック＝ボルコフ伝播関数を用いる。
• 平面波レーザー場における電子の相対論的運動を簡略化するため、ライトフロント座標を適用する。
• 運動量πμを光子運動量に射影した行列要素⟨M|²を用いて、非線形コンプトン散乱断面積を導出する。
• レーザーパルス帯域幅（∆φ⁻¹）および強度依存性ポンドモティブ効果に起因するスペクトル線幅拡大を分析する。
• 時間依存周波数を持つチープドレーザーパルスを導入し、電子の準動的運動量の時間的変化と一致するようにスペクトル青シフトを調整することで、スペクトル幅拡大を補償する。
• 未チープドおよび最適チープドパルスのスペクトルを数値的に比較することで、チープド効果の有効性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限パルス長は非線形コンプトン散乱のスペクトル線形状にどのように影響するか？
• RQ2 短パルス非線形コンプトン散乱における強度依存性スペクトル幅拡大の原因と大きさは何か？
• RQ3 高強度（a₀ ≳ 1）を維持したままスペクトル幅拡大を補償可能か？明るい放射源を実現できるか？
• RQ4 位相差パラメータa₀²∆φがスペクトル幅拡大の発生を決定づける役割を果たすのはどのような条件下か？
• RQ5 チープドレーザーパルス形状がスペクトル輝度の回復および放射帯域幅の狭小化にどの程度有効か？

主な発見

• 非線形コンプトン散乱におけるスペクトル幅拡大は、2つの要因に起因する：レーザー帯域幅（∆φ⁻¹）および強度依存性ポンドモティブ効果で、相対的帯域幅は～(a₀²/2)/(1 + a₀²/2)である。
• パルス包絡線の先頭および末尾で放射された光子の干渉により、O(a₀²∆φ)の副ピークが生じる。
• 位相差パラメータa₀²∆φ ≳ 1 になると、スペクトル幅拡大が顕著になる。これは、帯域幅が狭い場合、弱いパルス（a₀ ≪ 1）に対しても同様に成立する。
• 中心部でスペクトルが青シフトするチープドレーザーパルスは、ポンドモティブ幅拡大を効果的に補償でき、狭帯域スペクトル線を回復できる。
• 最適なチープドにより、a₀ = 1.5 の高強度で高スペクトル輝度の逆コンプトンガンマ線源を実現可能であり、図7で示されている。
• この補償機構により、10²³–10²⁵ W/cm² の高強度領域で、高輝度・狭帯域のハードガンマ線源が実現可能であり、次世代レーザー施設に適している。