[논문 리뷰] Volkov States and Non-linear Compton Scattering in Short and Intense Laser Pulses

D. Seipt|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 01.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics참고 문헌 49인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비선형 콤프턴 산란을 볼코프 상태와 상대론적 양자 전기역학을 사용하여 짧고 강한 레이저 펄스에서 연구한다. 펄스 지속시간과 강도로 인한 스펙트럼 브로드닝이 채널링된 레이저 펄스를 통해 보완될 수 있음을 보여주며, 이는 고강도 레이저 조건(a₀ ≳ 1)에서 밝고 좁은 대역의 감마선 원천을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 짧은 펄스 지속시간이 고강도 레이저-물질 상호작용에서 비선형 콤프턴 산란에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 유한한 레이저 대역폭과 강도에 의존하는 편모력 효과로 인한 스펙트럼 브로드닝 효과를 분석하기 위해.
• 역 콤프턴 X선 및 감마선 원천의 스펙트럼 빛의도를 향상시키기 위해 스펙트럼 브로드닝을 보완하는 방법을 탐색하기 위해.
• 펄스 레이저장에서 강한장 QED를 위한 볼코프 상태와 디랙-볼코프 전파함수를 사용한 이론적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 스펙트럼 열화 없이 고강도 레이저 조건(a₀ ≳ 1)에서 고빛의 감마선 원천을 운영할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 시간에 따라 변하는 레이저장에서 전자의 역학을 기술하기 위해 볼코프 파동함수와 디랙-볼코프 전파함수를 사용한다.
• 평면파 레이저장에서 전자의 상대론적 역학을 단순화하기 위해 라이트-프론트 좌표계를 적용한다.
• 운동량 πμ를 광자 운동량에 투영한 것을 포함하여 행렬 요소 ⟨M|²를 사용해 비선형 콤프턴 산란 강도를 유도한다.
• 레이저 펄스 대역폭(∆φ⁻¹)과 강도에 의존하는 편모력 효과로 인한 스펙트럼 선 브로드닝을 분석한다.
• 펄스의 스펙트럼 청색 이동을 전자의 준운동량 진화와 일치시켜 스펙트럼 브로드닝을 보완하기 위해 시간에 따라 변하는 주파수를 가진 채널링된 레이저 펄스를 도입한다.
• 비틀림의 효과를 비틀림이 없는 펄스와 최적의 채널링 펄스의 스펙트럼을 수치적으로 비교하여 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 펄스 지속시간은 비선형 콤프턴 산란에서 스펙트럼 선 형상에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 짧은 펄스 비선형 콤프턴 산란에서 강도에 의존하는 스펙트럼 브로드닝의 기원과 크기는 무엇인가?
• RQ3 고강도 조건(a₀ ≳ 1)을 유지하면서도 스펙트럼 브로드닝을 보완할 수 있는가?
• RQ4 스펙트럼 브로드닝 발생의 기준을 결정하는 디페이징 매개변수 a₀²∆φ의 역할은 무엇인가?
• RQ5 채널링된 레이저 펄스 형상 조절이 스펙트럼 빛의도 복원과 방출 대역폭의 좁아짐에 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 비선형 콤프턴 산란에서의 스펙트럼 브로드닝은 두 원인에서 기인한다: 레이저 대역폭(∆φ⁻¹)과 강도에 의존하는 편모력 효과이며, 상대적 대역폭은 ∼(a₀²/2)/(1 + a₀²/2)이다.
• 펄스 환경의 앞부분과 뒷부분에서 방출된 복사 간 간섭으로 인해 O(a₀²∆φ) 정도의 부가 피크들이 스펙트럼에 포함된다.
• 디페이징 매개변수 a₀²∆φ ≳ 1이 되면 스펙트럼 브로드닝이 의미 있게 되며, 이는 레이저 대역폭이 좁고 강도가 낮은 펄스(а₀ ≪ 1)일지라도 해당된다.
• 펄스 중심에서 스펙트럼 청색 이동이 발생하는 채널링된 레이저 펄스는 편모력 브로드닝을 효과적으로 보완하여 좁은 스펙트럼 선을 복원할 수 있다.
• 최적의 채널링은 a₀ = 1.5인 고강도 조건에서 높은 스펙트럼 빛의도를 유지하는 역 콤프턴 감마선 원천의 작동을 가능하게 하며, 그림 7에서 이를 입증하였다.
• 보완 메커니즘은 10²³–10²⁵ W/cm²의 강도까지 고빛의 좁은 대역의 하드 감마선 방출원천을 가능하게 하며, 이는 차세대 레이저 시설과 관련성이 있다.