ИСТИНА

Создание компактных перестраиваемых источников когерентного терагерцового излучения высокой мощности является чрезвычайно важным для многих областей науки и технологии. Целью проекта является исследование и детальный сравнительный анализ схем генерации терагерцового излучения, основанных на взаимодействии мощных лазерных импульсов с газообразными и твердотельными мишенями. Будут исследованы схемы генерации терагерцового излучения при распространении кильватерной волны в неоднородной плазме, а также при ее прохождении через границу плазма-вакуум. Другим направлением будет исследование схем генерации терагерцовых импульсов в результате когерентного переходного излучения электронов, ускоренных кильватерной волной, при их прохождении сквозь твердотельные мишени. Кроме того, в сравнении будут участвовать также и схемы, основанные на нарушении квазинейтральности плазмы и формировании сгустков электронов с большим зарядом при взаимодействии мощных лазерных импульсов с твердотельными мишенями ограниченных размеров. Будут определены форма импульса, диапазон частот, эффективность генерации, амплитуда и угловое распределение генерируемого излучения в указанных схемах. В итоге будут сформированы рекомендации по выбору оптимальной схемы генерации терагерцового излучения в зависимости от его параметров, что позволит перейти к созданию мощного компактного источника терагерцового и инфракрасного диапазонов с заданными свойствами излучения, в частности, с определенной формой импульса, требуемой средней частотой и мультигигаваттной мощностью (амплитуда порядка нескольких гигавольт на сантиметр) для различных научных и технологических применений.

Creation of compact tunable sources of coherent high-power terahertz radiation is extremely important for many fields of science and technology. The aim of the project is to study and make a detailed comparative analysis of terahertz radiation generation schemes based on the interaction of high-power laser pulses with gas and solid-state targets. The schemes of terahertz radiation generation during propagation of a wakewave in inhomogeneous plasma, as well as during its passage through the plasma-vacuum boundary will be investigated. Another direction will be the study of the schemes of generation of terahertz pulses as a result of coherent transition radiation of electrons accelerated by the wakewave when they pass through solid-state targets. In addition, the comparison will also involve schemes based on the violation of plasma quasineutrality and the formation of electron bunches with a large charge in the interaction of high-power laser pulses with solid-state targets of limited size. The pulse shape, frequency range, generation efficiency, amplitude and angular distribution of the generated radiation in these schemes will be determined. As a result, recommendations will be formed on the choice of the optimal scheme of terahertz radiation generation depending on its parameters, which will allow to move to the creation of a powerful compact source of terahertz and infrared ranges with the desired properties of radiation, in particular, with a certain pulse shape, the required average frequency and multigigawatt power (amplitude of the order of several gigavolts per centimeter) for various scientific and technological applications.

При выполнении научного исследования в проекте будут получены результаты детального сравнения параметров различных схем генерации терагерцового излучения, основанных на взаимодействии мощных лазерных импульсов с газообразными и твердотельными мишенями, что в итоге позволит перейти к созданию мощного, компактного и перестраиваемого источника терагерцового и инфракрасного диапазонов с заданными параметрами излучения, в частности, с определенной формой импульса, требуемой частотой и мощностью мультигигаваттного уровня. Эти результаты позволят выбирать оптимальную схему генерации терагерцового излучения для различных научных и технологических применений, что имеет огромное прикладное значение. В проекте будут получены следующие характеристики схемы генерации терагерцового излучения кильватерной волной, схемы с переходным излучением электронов, ускоренных кильватерной волной, и схемы с излучением сгустков электронов с большим зарядом, сформированых при падении мощных лазерных импульсов на твердотельные мишени ограниченных размеров: 1. Форма импульса терагерцового излучения, его диапазон частот, поляризация, амплитуда и угловое распределения генерируемого излучения. 2. Эффективность генерации излучения терагерцового и инфракрасного диапазонов. 3. Параметры оптимальных режимов генерации терагерцового излучения, в частности, требуемые характеристики лазерных импульсов и мишеней. 4. Будут разработаны аналитические модели для механизмов генерации терагерцового излучения при распространении кильватерной волны в неоднородной плазме, а также при ее прохождении через границу плазма-вакуум. 5. Будет разработана аналитическая модель и численно определены параметры генерации терагерцовых импульсов вследствие когерентного переходного излучения электронов, ускоренных кильватерной волной, при их прохождении сквозь твердотельные мишени. 6. Будет определена возможность применения разработанных аналитических моделей для характеризации и определения существенных параметров процесса кильватерного ускорения электронов, что позволит оптимизировать его в эксперименте.

Российская группа имеет солидный задел по предлагаемому проекту. Группой разработан и исследован механизм генерации терагерцового излучения при взаимодействии плазменной волны биений, сформированной двумя лазерными лучами с различающейся частотой, со встречным пучком электронов. Разработана теория обмена энергией между плазменной волной биений и волной терагерцовой частоты за счет нелинейной связи при наличии энергии встречного пучка релятивистских электронов. Также исследованы процессы генерации излучения инфракрасного и терагерцового диапазонов, возникающего при синхронном ускорении электронов мишени ограниченных размеров под действием сверхмощного лазерного импульса с крутым фронтом. Идея использования неадиабатического лазерного импульса, взаимодействующего с нанопленкой, для генерации релятивистских электронных сгустков-зеркал также предложена и развита группой. Проведенное двумерное численное моделирование полностью подтвердило экспериментальную реализуемость метода. Была также разработана одномерная теория формирования электронных зеркал, применимая на временах, меньших времени жизни, и позволяющая аналитически предсказать характеристики сформированного электронного зеркала исходя из параметров лазерного импульса и нанопленки. Кроме того, была разработана модель «летящего зеркала», которая позволяет описывать процессы взаимодействия лазерного излучения с нанопленками на временах, значительно больших времени жизни релятивистского электронного зеркала. Также была численно и аналитически исследована одномерная модель генерации жесткого рентгеновского и гамма излучения при рассеянии пробного лазерного импульса на релятивистском электронном зеркале. Было показано, что при определенном выборе параметров лазерного импульса и мишени возможна генерация когерентного излучения высокой частоты, вплоть до частоты гамма излучения.

В проекте будут получены следующие характеристики схемы генерации терагерцового излучения кильватерной волной, схемы с переходным излучением электронов, ускоренных кильватерной волной, и схемы с излучением сгустков электронов с большим зарядом, сформированых при падении мощных лазерных импульсов на твердотельные мишени ограниченных размеров: 1. Форма импульса терагерцового излучения, его диапазон частот, поляризация, амплитуда и угловое распределения генерируемого излучения. 2. Эффективность генерации излучения терагерцового и инфракрасного диапазонов. 3. Параметры оптимальных режимов генерации терагерцового излучения, в частности, требуемые характеристики лазерных импульсов и мишеней. 4. Будут разработаны аналитические модели для механизмов генерации терагерцового излучения при распространении кильватерной волны в неоднородной плазме, а также при ее прохождении через границу плазма-вакуум. 5. Будет разработана аналитическая модель и численно определены параметры генерации терагерцовых импульсов вследствие когерентного переходного излучения электронов, ускоренных кильватерной волной, при их прохождении сквозь твердотельные мишени. 6. Будет определена возможность применения разработанных аналитических моделей для характеризации и определения существенных параметров процесса кильватерного ускорения электронов, что позволит оптимизировать его в эксперименте.