Zaostření krátkého intenzivního laserového impulsu do velmi malého ohniska v částicových simulacích interakce s plazmatem

Abstract

Úzká fokusace s využitím plazmové optiky muže vést ke zvýšení intenzity a zlepšení časového i prostorového kontrastu laserových svazků. Vzhledem k tomu, že pro popis těchto impulsů neplatí paraxiální aproximace, je zapotřebí použít vhodnejší model. V rámci této práce byly do částicového kódu implementovány a důkladně otestovány nové okrajové podmínky pro výpočet časového vývoje laserového impulsu na hranici simulacní obasti v souladu s Maxwellovými rovnicemi. Upravený kód byl použit pro simulace laserových svazků zaostřených do velmi malého ohniska. Výsledky simulací byly analyzovány z hlediska vlivu velikosti ohniska na průběh interakce laserových svazků s pevnými terči. Ukazuje se, že trajektorie horkých elektronů a absorpční procesy behem interakce jsou silně ovlivněny příčnou složkou ponderomotorické síly, která je velmi vysoká v případě ohniska menšího než je vlnová délka laseru. V tomoto případě ostře narůstá účinnost absorpce laserové energie v plazmatu, distribuční funkce energie elektronu jsou kvalitativně rozdílné a teplota horkých elektronů se výrazně zvyšuje.

Tight-focusing using the plasma-based optics could be an effective way to increase the peak intensity and enhance the spatial and temporal contrast ratio of the laser pulse. Since the paraxial approximation is not valid for description of tightly focused laser beams, the appropriate model has to be employed. Within this work, the laser boundary conditions based on the approach consistent with the Maxwell?s equations have been implemented into the particle-in-cell simulation code and thoroughly tested. The instrumented code has been exploited for series of large-scale simulations employing tightly focused laser beams interacting with solid targets. The emphasis was placed mainly on identifying the effects of the focal spot size on the laser-matter interaction. We show that the hot electron trajectories and the absorption processes which take place during the interaction are strongly influenced by the transverse component of ponderomotive force which becomes significant in the case of sub-wavelength focus. The laser energy absorption efficiency sharply increases, the energy distribution functions are qualitatively different and the temperature of hot electrons is significantly higher in this case.