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High Power Laser–Matter Interaction （springer 2010）
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1 Introductory Remarks and Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 The Laser Plasma: Basic Phenomena and Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1 Laser–Particle Interaction and Plasma Formation. . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.1 High-Power Laser Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.1.2 Single Free Electron in the Laser Field (Nonrelativistic) . . 9 2.1.3 Collisional Ionization, Plasma Heating, and Quasineutrality 13 2.2 Fluid Description of a Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.1 Two-Fluid and One-Fluid Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.2 Linearized Motions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.2.3 Similarity Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3 Laser Plasma Dynamics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.3.1 Plasma Production with Intense Short Pulses . . . . . . . . . . . 60 2.3.2 Heating with Long Pulses of Constant Intensity . . . . . . . . . 63 2.3.3 Similarity Considerations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 2.4 Steady State Ablation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.4.1 The Critical Mach Number in a Stationary Planar Flow. . . 75 2.4.2 Ablative Laser Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 2.4.3 Ablation Pressure in the Absence of Profile Steepening . . . 82 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3 Laser Light Propagation and Collisional Absorption . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.1 The Optical Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.1.1 Ray Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.1.2 WKB Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.1.3 Energy Fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.2 Stokes Equation and its Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.2.1 Homogeneous Stokes Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.2.2 Reflection-Free Density Profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 3.2.3 Collisional Absorption in Special Density Profiles . . . . . . . 113 3.2.4 Inhomogeneous Stokes Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 3.3 Collisional Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 3.3.1 Collision Frequency of Electrons Drifting at Constant Speed (Oscillator Model) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.3.2 Thermal Electrons in a Strong Laser Field. . . . . . . . . . . . . . 129 3.3.3 The Ballistic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 3.3.4 Equivalence of Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 3.3.5 Complementary Remarks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 3.4 Inverse Bremsstrahlung Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 3.5 Ion Beam Stopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 4 Resonance Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 4.1 Linear Resonance Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 4.1.1 The Capacitor Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 4.1.2 Steep Density Gradients and Fresnel Formula . . . . . . . . . . . 160 4.1.3 Comparison with Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 4.2 Nonlinear Resonance Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 4.2.1 High Amplitude Electron Plasma Waves at Moderate Density Gradients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 4.2.2 Resonance Absorption by Nonlinear Electron Plasma Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 4.3 Hot Electron Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 4.3.1 Acceleration of Electrons by an Intense Smooth Langmuir Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 4.3.2 Particle Acceleration by a Discontinuous Langmuir Wave . 178 4.3.3 Vlasov Simulations and Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 4.4 Wavebreaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 4.4.1 Hydrodynamic Wavebreaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 4.4.2 Kinetic Theory of Wavebreaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 5 The Ponderomotive Force and Nonresonant Effects . . . . . . . . . . . . . . . . 193 5.1 Ponderomotive Force on a Single Particle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 5.1.1 Conservation of the Cycle-Averaged Energy . . . . . . . . . . . . 195 5.1.2 The Standard Perturbative Derivation of the Force . . . . . . . 199 5.1.3 Rigorous Relativistic Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 5.2 Collective Ponderomotive Force Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 5.2.1 Bulk Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 5.2.2 The Force Originating from Induced Fluctuations . . . . . . . 206 5.2.3 Global Momentum Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 5.3 Nonresonant Ponderomotive Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 5.3.1 Ablation Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 5.3.2 Filamentation and Self-Focusing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 5.3.3 Modulational Instability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 6 Resonant Ponderomotive Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 6.1 Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 6.1.1 Waves, Energy Densities and Wave Pressure . . . . . . . . . . . . 230 6.1.2 Doppler Shifts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 6.2 Instabilities Driven by Wave Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 6.2.1 Resonant Ponderomotive Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 6.2.2 Unstable Configurations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 6.2.3 Growth Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 6.3 Parametric Amplification of Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256 6.3.1 Slowly Varying Amplitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 6.3.2 Quasi-Particle Conservation and Manley朢owe Relations 258 6.3.3 Light Scattering at Relativistic Intensities . . . . . . . . . . . . . . 259 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 7 Intense Laser朅tom Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 7.1 Atomic Units. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 7.2 Atoms in Strong Static Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 7.2.1 Separation of the Schr鰀inger Equation . . . . . . . . . . . . . . . . 272 7.2.2 Tunneling Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 7.3 Atoms in Strong Laser Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 7.3.1 Floquet Theory and Dressed States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 7.3.2 Non-Hermitian Floquet Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 7.3.3 Stabilization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288 7.3.4 Strong Field Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292 7.3.5 Few-Cycle Above-Threshold Ionization. . . . . . . . . . . . . . . . 301 7.3.6 Simple Man抯 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 7.3.7 Interference Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 7.3.8 High-Order Harmonic Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 7.3.9 Strong Field Approximation for High-Order Harmonic Generation: the Lewenstein Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313 7.3.10 Harmonic Generation Selection Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 7.4 Strong Laser朅tom Interaction Beyond the Single Active Electron . . 319 7.4.1 Nonsequential Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 8 Relativistic Laser朠lasma Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 8.1 Essential Relativity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 8.1.1 Four Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 8.1.2 Momentum and Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336 8.1.3 Scalars, Contravariant and Covariant Quantities . . . . . . . . . 337 8.1.4 Ideal Fluid Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 8.1.5 Kinetic Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341 8.1.6 Center of Momentum and Mass Frame of Noninteracting Particles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 8.1.7 Moment Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 8.1.8 Covariant Electrodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 8.2 Particle Acceleration in an Intense Laser Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 8.2.1 Particle Acceleration in Vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353 8.2.2 Wakefield and Bubble Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 8.3 Collisionless Absorption in Overdense Matter and Clusters . . . . . . . . 363 8.3.1 Computer Simulations of Collisionless Laser–Target Interaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 8.3.2 Search for Collisionless Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 8.3.3 Collisionless Absorption by Anharmonic Resonance . . . . . 378 8.4 Some Relativity of Relevance in Practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 8.4.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 8.4.2 Critical Density Increase for Fast Ignition . . . . . . . . . . . . . . 393 8.4.3 Relativistic Self-Focusing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 |
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