[論文レビュー] Theory of Attosecond Pulses from Relativistic Surface Plasmas

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

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 40被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、相対論的過密プラズマにおける高調波生成を用いた孤立したアトセカンドパルスの生成に関する理論的枠組みを提示する。主に相対論的オシレーティングミラー（ROM）モデルを用い、超高密度の電子ナノバンチングが形成される新規な領域を同定する。この領域では、平坦でゆっくり減衰する高調波スペクトルが得られ、駆動レーザーを1000倍以上上回る場強度を有する巨大なアトセカンドパルスが生成可能である。

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.

研究の動機と目的

• 強いレーザー照射下における相対論的プラズマ表面でのアトセカンドパルス生成のメカニズムを理解すること。
• プラズマ表面に超高密度の電子ナノバンチングが形成される条件を同定し、その結果生じるコherentlyな放射と強度の平坦なスペクトルを解明すること。
• 回折および3次元幾何学的要因が高調波スペクトルの形状をどのように決定するか、および高調波のコherentな集光を可能にするかを分析すること。
• 相対論的高調波スペクトルにおけるスペクトルラインの変調が、非コherentなノイズではなく、内在的な周波数チープに起因することを説明すること。
• 高調波のコherentな空間的・時間的集光によって、駆動レーザーを上回る場強度に達する可能性を探索すること。

提案手法

• 相対論的スピードで振動するプラズマ表面からの高調波放射を記述するため、相対論的オシレーティングミラー（ROM）モデルを採用する。
• 漸近的解析を適用し、電子軌道の詳細に依存しない普遍的な高調波スペクトルを導出する。γスパイクと指数-8/3のべき乗則減衰に注目する。
• 電子ナノバンチングを再考した修正モデルを導入し、べき乗則指数-6/5のより平坦なスペクトルを実現させ、巨大アトセカンドパルスの生成を可能にする。
• ローレンツ変換を用いて1次元スラブ幾何学における斜め入射レーザーをモデル化し、相対論的プラズマダイナミクスの解析的取り扱いを可能にする。
• 複素平面における経路積分を用いた一般化されたアイル関数の数値計算により、高調波放射スペクトルを評価する。
• 3次元回折効果を分析し、自由空間における回折がハイパスフィルタとして作用し、高調波の自然な自己集光を可能にすることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような条件下で、相対論的プラズマ表面に超高密度の電子ナノバンチングが形成され、高調波放射にどのように影響を与えるか？
• RQ2 高調波スペクトルは時間的にどのように変化するか？偏光ゲーティングを用いて単一の孤立したアトセカンドパルスに整形可能か？
• RQ3 相対論的高調波スペクトルにおけるスペクトルラインの変調は、どのような原因によるものか？非コherentlyなノイズではなく、フェムトセカンドスケールのプラズマダイナミクスに起因する内在的な周波数チープによるものか？
• RQ4 3次元幾何学的要因および回折効果は、現実のレーザー・プラズマ相互作用における高調波のスペクトル的・空間的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ5 高調波のコherentな集光は、駆動レーザー強度を上回る場強度に到達可能か？どのような幾何学的配置がこの効果を最適化するか？

主な発見

• 標準的な相対論的オシレーティングミラー（ROM）モデルは、高調波スペクトルがべき乗則減衰 I ∝ ω^(-8/3) に従うと予測する。これは臨界高調波数 ω_r / ω_0 ∼ γ^3 まで有効である。
• 超高密度の電子ナノバンチングが形成される新規な領域が出現し、平坦なスペクトル I ∝ ω^(-6/5) を生成する。このスペクトルは巨大アトセカンドパルスの生成を可能にする。
• アトセカンドパルス列には内在的な周波数チープが存在し、これがスペクトルラインの変調を引き起こす。これは非コherentlyな性質を示すのではなく、フェムトセカンドスケールのプラズマダイナミクスを反映している。
• 3次元幾何学において、自由空間の回折はハイパスフィルタとして作用し、スペクトルを変化させ、焦点位置での自然な角発散と場強度増幅を誘発する。
• 最適化された表面幾何学を用いた高調波のコherentな集光により、駆動レーザー強度を1000倍以上上回るピーク強度に達することが可能である。
• 数値シミュレーションにより、解析的予測が確認された。特に、プラズマ表面での強い電子圧縮が生じる条件下で、-6/5べき乗則領域の存在が明確に示された。