Dokument: Ultrashort and Ultraintense Electromagnetic Pulses

Titel:	Ultrashort and Ultraintense Electromagnetic Pulses
Weiterer Titel:	Ultrakurze und ultraintensive elektromagnetische Pulse
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=17738
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20110411-110036-1
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Brügge, Daniel an der [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 5,78 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 29.03.2011 / geändert 29.03.2011
Beitragende:	Prof. Dr. Pukhov, Alexander [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Spatschek, Karl Heinz [Betreuer/Doktorvater] Prof. Dr. Paulus, Gerhard [Gutachter]
Dokumententyp (erweitert):	Dissertation
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	My thesis, titled “Ultrashort and Ultraintense Electromagnetic Pulses”, treats the physics of ultrashort light pulses from various viewpoints. First, a novel mathematical representation of few-cycle electromagnetic pulses is introduced. This new description enables us to write down accurate analytical closed form expressions even for pulses, where the classical monochromatic approximation clearly fails. The wave equation is solved for Gaussian and Hermite-Gaussian transverse modes, combined with an arbitrary temporal shape. Assigning these solutions directly to the transverse electric field or vector potential does not work, because not all temporal shape functions can be extended to physically sound finite energy pulse structures. With the new method, employing the second potential, exactly those pulse shapes that actually possess finite energy are selected. Comprehensive numerical benchmarks were carried out to test the validity and accuracy of the new description. Further, the tests readily demonstrate the suitability of the new pulse representation for numerical simulations. High harmonics generation (HHG) at overdense plasma surfaces allows for converting intense, short light pulses to even shorter ones with durations in the range of not more than a few attoseconds. In my thesis, various new aspects of the HHG physics in the most efficient, highly relativistic regime have been highlighted. The popular relativistically oscillating mirror (ROM) model is reviewed and extended, but also alternative models are worked out for settings, where the ROM model does not apply. It is found that in p-polarized oblique incidence, one can often observe the formation of highly compressed electron bunches in front of the plasma surface. These nanobunches emit synchrotron radiation coherently, and it is seen in PIC simulations that they can contribute the largest part of the HHG. The spectrum can be obtained within an analytical model again, yielding a power law of $\omega^{-6/5}$ in agreement with the numerical results. Further, the spectral fine structure and diffraction in realistic 3D geometry are examined in the thesis. We find that the fine structure in the highly relativistic regime may serve as a plasma diagnostic, containing information about the cycle averaged motion of the electron plasma surface. Further, diffraction can be exploited as a spatial spectral filter, revealing the attosecond peaks in the harmonics radiation. The coherent focusing of harmonics is investigated in consideration of a realistic setup. With this method, it should be possible to achieve focal intensities that exceed the one of the generating laser by more than three orders of magnitude. An alternative scheme for the frequency upconversion of ultrashort, ultraintense laser pulses is discussed: coherent Thomson scattering at electron layers compressed by the relativistic snowplough effect. It is found, that the rising edge of the driving laser pulse is crucial for a successful realization of this scheme. Provided a sufficiently powerful laser pulse with an extremely steep rising edge is available, this method may offer a great deal of control over the generated radiation. Meine Doktorarbeit, mit dem englischen Titel "Ultrashort and Ultraintense Electromagnetic Pulses”, behandelt die Physik ultrakurzer und ultraintensiver Lichtpulse aus verschiedenen Blickwinkeln. Zunächst wird eine neuartige mathematische Beschreibung für elektromagnetische Few-Cycle-Pulse eingeführt. Diese neue Beschreibung versetzt uns in die Lage exakte analytische Ausdrücke in geschlossener Form auch für Pulse aufzuschreiben, bei denen die klassische monochromatische Näherung nicht mehr funktioniert. Die Wellengleichung wird für Gaußsche und Hermite-Gaußsche transversale Moden gelöst, in Verbindung mit einem beliebigen Zeitprofil. Diese Lösungen direkt einer Komponente des elektrischen Feldes oder des Vektorpotenzials zuzuordnen funktioniert jedoch nicht, denn nicht alle zeitlichen Profilfunktionen können zu physikalisch sinnvollen Pulsstrukturen mit endlicher Energie ergänzt werden. Doch können mit einer neuen Methode, indem man das sogenannte "zweite Potenzial" verwendet, genau jene Profilfunktionen selektiert werden, welche tatsächlich endliche Energie besitzen. Umfassende numerische Benchmarks wurden durchgeführt um die Gültigkeit und Genauigkeit der neuen Lösungen zu testen. Diese Tests demonstrieren außerdem bereits die gute Anwendbarkeit der neuen Pulsdarstellung in numerischen Simulationen. Erzeugung hoher Harmonischer (HHG) an überdichten Plasma-Oberflächen erlaubt die Umwandlung intensiver, kurzer Lichtpulse in noch kürzere Pulse mit Dauern in der Größenordnung von einigen Attosekunden. In meiner Arbeit werden diverse neue Aspekte der HHG-Physik im effizientesten, hoch-relativistischen Regime herausgestellt. Das bekannte Modell des "relativistisch oszillierenden Spiegels" (ROM) wird besprochen und erweitert, es werden aber auch alternative Modelle ausgearbeitet für Situationen, in denen das ROM-Modell nicht anwendbar ist. Wir stellen fest dass bei p-polarisiertem schrägem Einfall oft die Bildung hochkomprimierter Elektronen-Bunches vor der Plasma-Oberfläche zu beobachten ist. Diese "Nanobunches" emittieren kohärente Synchrotronstrahlung und in numerischen Simulationen zeigt sich, dass sie für den größten Teil der HHG verantwortlich sein können. Das Spektrum kann wieder in einem analytischen Modell berechnet werden, es ergibt sich ein Potenzgesetz $I\propto\omega^{-6/5}$ in Übereinstimmung mit den numerischen Resultaten. Desweiteren werden die spektrale Linienstruktur sowie Beugungseffekte in realistischer 3D Geometrie in der Arbeit untersucht. Es stellt sich heraus, dass die Linienstruktur im hoch-relativistischen Regime als Plasmadiagnostik dienen kann, da sie Informationen über die gemittelte Bewegung der Elektronen-Plasma-Oberfläche enthält. Weiterhin können Beugungseffekte als spektraler Filter ausgenutzt werden, um so die Attosekunden-Spitzen in der Harmonischen-Strahlung zu enthüllen. Das kohärente Fokussieren der Harmonischen wird unter Berücksichtigung eines realistischen Experiment-Aufbaus untersucht. Mit dieser Methode sollte es möglich sein, im Brennpunkt momentane Intensitäten zu erreichen, welche diejenige des erzeugenden Lasers um mehr als drei Größenordnungen überschreiten. Ein alternatives Schema zur hochkonversion der Frequenz von ultrakurzen, ultraintensiven Laserpulsen wird besprochen: kohärente Thomson Streuung an Elektronenschichten komprimiert durch den relativistischen "Schneepflug-Effekt". Es stellt sich heraus, dass die steigende Flanke des treibenden Laserpulses entscheidend ist für die erfolgreiche Umsetzung dieses Schemas. Vorausgesetzt ein hinreichend starker Laser mit einer extrem steilen ansteigenden Pulsflanke ist verfügbar, kann diese Methode eine sehr gute Kontrolle über die erzeugte Strahlung ermöglichen.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	11.04.2011
Dateien geändert am:	11.04.2011
Promotionsantrag am:	23.11.2010
Datum der Promotion:	18.02.2011