[논문 리뷰] Theory of Attosecond Pulses from Relativistic Surface Plasmas

D. an der Brügge, A. Pukhov|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 17.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 40인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 상대론적 과밀 플라즈마에서 고조화 발산을 통한 고립된 약 1000자기초(atto) 파uls 생성을 위한 이론적 프레임워크를 제시한다. 주로 상대론적 진동 거울(ROM) 모델을 통해 이루어지며, 초고밀도 전자 나노버스트가 형성되는 새로운 영역을 규명한다. 이로 인해 평탄하고 천천히 감쇠하는 고조화 스펙트럼이 발생하며, 이는 1000배 이상의 전계 강도 증폭을 초래하는 거대한 약 1000자기초 파uls 생성을 가능하게 한다.

ABSTRACT

High harmonic generation by relativistically intense laser pulses from overdense plasma layers is surveyed. High harmonics are generated in form of (sub-)attosecond pulses when the plasma surface rebounds towards the observer with relativistic velocity. Different cases are considered. The "relativistically oscillating mirror" (ROM) model, describing the most typical case, is analyzed in detail. The resulting harmonic spectrum is usually a power law with the exponent -8/3 [baeva2006relativistic], but possible exceptions due to "higher order γ-spikes" are considered. It is shown that under certain conditions, ultra-dense electron nanobunches can be formed at plasma surface that emit coherent synchrotron radiation. The resulting spectrum is much flatter and leads to the formation of a giant attosecond pulse in the reflected radiation. The harmonics radiation is also considered in time domain, where they form a train of attosecond pulses. It is characterized and a possibility to select a single attosecond pulse via polarization gating is described. Further, the line structure in relativistic harmonic spectra is analyzed. It is shown that the harmonics have an intrinsic chirp and it can be responsible for experimentally observed spectral modulations. Finally, high harmonic generation is considered in realistic three-dimensional geometry. It is shown that free space diffraction can act as a high pass filter, altering the spectrum and the reflected field structure. The high harmonics tend to be self-focused by the reflecting surface. This leads to a natural angular divergence as well as to field boost at the focal position. Coherently focusing the harmonics using an optimized geometry may result in a significantly higher field than the field of the driving laser.

연구 동기 및 목표

• 강한 레이저 조사 하에서 상대론적 플라즈마 표면에서 약 1000자기초 파uls 생성의 메커니즘을 이해하는 것.
• 플라즈마 표면에서 초고밀도 전자 나노버스트가 형성되는 조건을 규명하고, 이들이 스펙트럼 평탄도가 향상된 간섭성 복사에 미치는 영향를 밝혀내는 것.
• 분산과 3차원 기하학이 고조화 스펙트럼 형성과 고조화의 간섭성 집중에 미치는 역할을 분석하는 것.
• 상대론적 고조화 스펙트럼에서의 스펙트럼 선 조절 현상이 비간섭성 노이즈가 아닌 내재된 주파수 치르프의 결과임을 설명하는 것.
• 고조화의 간섭성 시공간 집중을 통해 레이저 강도를 초월하는 전계 강도를 달성할 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• 플라즈마 표면이 상대론적 속도로 진동하는 과정에서의 고조화 방출을 기술하기 위해 상대론적 진동 거울(ROM) 모델을 채택한다.
• 점점 가까운 점근적 분석을 적용하여 전자 궤적의 세부 사항에 의존하지 않는 보편적인 고조화 스펙트럼을 유도하며, γ-스피크와 지수 -8/3의 거듭제곱 감쇠 법칙을 중점적으로 다룬다.
• 전자 나노버스트 형성에 대한 수정된 모델을 도입하여, 지수 -6/5의 더 평탄한 스펙트럼을 얻고, 이로 인해 거대한 약 1000자기초 파uls를 생성할 수 있음을 규명한다.
• 로렌츠 변환을 사용하여 1차원 판 구조에서 기울어진 레이저 입사 조건을 모델링함으로써 상대론적 플라즈마 역학의 해석적 처리를 가능하게 한다.
• 복소 평면에서의 경로 적분을 통한 일반화된 에이리 함수의 수치 계산을 활용하여 고조화 방출 스펙트럼을 평가한다.
• 3차원 분산 효과를 분석하여 자유공간 분산이 고역통과 필터 역할을 하며 고조화의 자연스러운 자가집중을 가능하게 함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 레이저 조사 하에서 상대론적 플라즈마 표면에서 초고밀도 전자 나노버스트가 형성되는 조건은 무엇이며, 이는 고조화 방출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고조화 스펙트럼은 시간에 따라 어떻게 변화하는가? 그리고 편광 게이팅을 통해 단일 고립된 약 1000자기초 파uls로 형상화할 수 있는가?
• RQ3 상대론적 고조화 스펙트럼에서의 스펙트럼 선 조절 현상의 원인은 무엇이며, 이는 비간섭성 노이즈가 아닌 내재된 주파수 치르프의 결과로 설명될 수 있는가?
• RQ4 분산과 3차원 기하학은 실제 레이저-플라즈마 상호작용에서 고조화의 스펙트럼적·공간적 성질에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 고조화의 간섭성 집중은 레이저 강도를 초월하는 강도를 달성할 수 있으며, 어떤 기하학적 구조가 이 효과를 최적화하는가?

주요 결과

• 표준 상대론적 진동 거울(ROM) 모델은 ω_r / ω_0 ∼ γ^3의 임계 고조화 번호까지 유효한 I ∝ ω^(-8/3)의 거듭제곱 감쇠 법칙을 따르는 고조화 스펙트럼을 예측한다.
• 초고밀도 전자 나노버스트가 형성되는 새로운 영역이 나타나며, 이는 I ∝ ω^(-6/5)의 더 평탄한 스펙트럼을 생성함으로써 거대한 약 1000자기초 파uls 방출을 가능하게 한다.
• 약 1000자기초 파uls 트레인은 내재된 주파수 치르프를 가지며, 이는 비간섭성 노이즈가 아닌 피코초 수준의 플라즈마 역학에 기인한 스펙트럼 선 조절 현상으로 나타난다.
• 3차원 기하학에서 자유공간 분산은 고역통과 필터로 작용하며 스펙트럼을 변화시키고, 집중점에서 천천히 증가하는 각도 분산과 전계 강도 증폭을 유도한다.
• 최적화된 표면 기하학을 사용한 고조화의 간섭성 집중은 피크 강도를 레이저 강도를 초월해 1000배 이상 증가시킬 수 있다.
• 수치 시뮬레이션은 분석 예측을 확인하며, 특히 플라즈마 표면에서 전자 압축이 강할 조건에서 -6/5 거듭제곱 감쇠 법칙 영역의 존재를 입증한다.