[论文解读] Femtosecond laser-induced sub-wavelength plasma inside dielectrics: I. Field enhancement

Kazem Ardaneh, Rémi Meyer+6 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2022

Laser Material Processing Techniques参考文献 40被引用 7

一句话总结

本研究通过三维粒子-网格（PIC）模拟，探究了飞秒激光在蓝宝石中诱导的亚波长等离子体中的场增强与能量吸收机制。研究识别出两种主要吸收路径——在均匀超临界等离子体中激发表面等离子体，以及在非均匀高斯型密度分布中发生共振吸收，二者均实现超过50%的高吸收率，并与实验的近场和远场诊断结果一致。关键发现为：在等离子体界面处形成标量电场与电子声波，且无碰撞的波-粒子相互作用驱动了超临界等离子体中的高效能量沉积。

ABSTRACT

The creation of high energy density ($\gtrsim10^6$ joules per cm$^3$) over-critical plasmas in a large volume has essential applications in the study of warm dense matter, being present in the hot cores of stars and planets. It was recently shown that femtosecond Bessel beams enable creating over-critical plasmas inside sapphire with sub-wavelength radius and several tens of micrometers in length. Here, the dependence of field structure and absorption mechanism on the plasma density transverse profile are investigated by performing self-consistent Particle-In-Cell (PIC) simulations. Two { limiting} cases are considered: one is a homogeneous step-like profile, that can sustain plasmon formation, the second is an inhomogeneous Gaussian profile, where resonance absorption occurs. Comparing experimental absorption measures to analytical predictions allows determining the plasma parameters used in PIC simulations. The PIC simulation results are in good agreement with experimental diagnostics of total absorption, near-field fluence distribution, and far-field radiation pattern. We show that in each case an ambipolar field forms at the plasma surface due to the expansion of the hot electrons and that electron sound waves propagate into the over-critical region.

研究动机与目标

• 理解飞秒贝塞尔光束在蓝宝石中诱导的亚波长等离子体中激光能量吸收率超过50%的机制。
• 确定在实验条件下，表面等离子体形成与共振吸收中哪一种在超临界等离子体生成中占主导地位。
• 通过自洽的PIC模拟，将实验诊断结果（总吸收率、近场辐照度、远场分布）与等离子体物理机制相衔接。
• 明确等离子体密度分布（均匀型与高斯型）在塑造场结构与电子加热动力学中的作用。
• 验证无碰撞过程——特别是波-粒子相互作用——在这些高强度、超短脉冲相互作用中主导了能量沉积。

提出的方法

• 采用EPOCH代码进行三维大规模并行PIC模拟，以建模绝缘体中的激光-等离子体相互作用。
• 模拟了两种极限等离子体密度分布：一种为阶梯状均匀分布（用于表面等离子体激发），另一种为非均匀高斯分布（用于共振吸收）。
• 利用表面等离子体色散关系与共振吸收的解析模型，约束模拟中的等离子体参数（密度、标度长度）。
• 应用Bohm-Gross色散关系以模拟超临界等离子体中的电子声波，通过引入νc实现碰撞阻尼。
• 通过匹配模拟得到的吸收率、近场辐照度与远场辐射分布与实验测量结果，校准模拟参数。
• 求解包含碰撞阻尼的完整静电纵波色散关系，以分析等离子体中波的传播与阻尼特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 飞秒贝塞尔光束在蓝宝石中诱导的亚波长等离子体中，主导的能量吸收机制是什么？
• RQ2 在均匀与非均匀等离子体密度分布下，场结构（表面等离子体 vs. 共振吸收）有何差异？
• RQ3 标量电场与电子声波在等离子体-真空界面处的形成程度如何？它们对电子加热有何影响？
• RQ4 PIC模拟能否准确再现两种等离子体密度分布下的实验吸收率、近场辐照度与远场辐射分布？
• RQ5 超临界等离子体中电子声波的相速度与群速度如何与观测到的能量沉积及波阻尼相关？

主要发现

• 飞秒贝塞尔光束在强度约为10^14 W/cm²时，在蓝宝石中产生密度介于10nc至70nc（nc = 1.7×10^21 cm⁻³）的超临界等离子体。
• 无论均匀还是非均匀等离子体分布，均实现超过50%的激光能量吸收，与实验测量结果一致。
• 由于热电子膨胀，在等离子体表面形成标量电场，且在均匀等离子体中具有更强的场梯度。
• 电子声波向超临界等离子体区域传播，其相速度与群速度在短波长下趋近于√3 v_th。
• 电子声波的阻尼率与频率相当，因其与接近波相速的电子发生共振。
• 超临界等离子体中电子声波的色散关系在T = 80 eV、λ_D ≈ 1.5 nm条件下，得出波长约为25 nm，与模拟条件一致。