Collisional effects and attosecond diagnostics in laser-generated plasmas
Doktorsavhandling, 2022

When matter is radiated by laser light of extreme intensity, it is rapidly ionized, thereby forming a plasma. Such laser-generated plasmas can be used as sources of energetic particles and radiation, or to study astrophysically relevant phenomena in the laboratory and the behavior of matter under extreme conditions. This thesis considers the dynamics and diagnosis of laser-induced plasmas, with focus on the effect of Coulomb collisions on electrostatic shocks and laser-energy absorption, as well as ultra-rapid plasma diagnostics using attosecond pulses.

Electrostatic shocks in plasmas have the potential to accelerate ions with a very narrow energy spread. First, collisional effects on electrostatic shocks are studied in two regimes of low and high collisionality. In the former, we show that even rare collisions can significantly affect the structure of the electrostatic shock over long time scales due to an accumulation of trapped ions. The high-collisionality case was studied using particle-in-cell simulations of laser foil targets. Effective ion acceleration by electrostatic shocks relies on a high electron temperature. Heating of the upstream ions, through collisions with the shock-accelerated ions, creates a self-amplifying process that increases the fraction of accelerated ions. However, this unstable condition rapidly depletes the energy of the shock, which transitions into a blast wave, unable to accelerate ions.

An additional study of the same laser--solid interaction shows that, unlike the commonly held knowledge, collisions may dominate the energy absorption of ultraintense laser pulses through inverse bremsstrahlung, and also causing rapid thermalization of the target electrons.

Finally, two diagnostic methods for the electron density utilizing attosecond extreme-ultraviolet pulses, are presented. The first method is based on the dispersion of a probe pulse, which can be used to infer information about the peak density and line-integrated density of the probed plasma. The second method is based on stimulated Raman scattering, which uses two pulses, and can give a localized reading of the electron density in the interaction regions where the two pulses meet.

electrostatic shocks

plasma physics

plasma diagnostics

laser-plasmas

attosecond pulses

extreme-ultraviolet

Coulomb collisions

PJ-salen, Origohuset, Kemigården 1
Opponent: Prof. Luís O. Silva, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Portugal

Författare

Andréas Sundström

Chalmers, Fysik, Subatomär, högenergi- och plasmafysik

Effect of a weak ion collisionality on the dynamics of kinetic electrostatic shocks

Journal of Plasma Physics,; Vol. 85(2019)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Collisional effects on the electrostatic shock dynamics in thin-foil targets driven by an ultraintense short pulse laser

Plasma Physics and Controlled Fusion,; Vol. 62(2020)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Attosecond dispersion as a diagnostics tool for solid-density laser-generated plasmas

Journal of Plasma Physics,; Vol. 88(2022)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Lasergenererade plasmor – hur man skapar och beskådar ett mikroskopiskt fyrverkeri

Med modern laserteknik kan man skapa otroligt starka laserpulser, där de elektromagnetiska fälten är så starka att de kan slita loss elektronerna från sina atomkärnor, och på så sätt bilda ett plasma. Detta plasma består av fria laddade partiklar, vilket gör att det reagerar på och skapar egna elektromagnetiska fält. Detta skiljer ett plasma väsentligt från andra sorters materia som t.ex. gaser.

Så vad gör ett plasma som skapas av en laserpuls till ett "mikroskopiskt fyrverkeri"? Ett vanligt fyrverkeri är en slags välkontrollerad explosion, där glödande fragment slungas iväg i förutbestämda riktningar och energier. För att kalla denna mikroskopiska explosion som inträffar när högintensitetslasern träffar sitt mål för ett fyrverkeri, bör vi ha samma kriterier: materialet exploderar under välkontrollerade omständigheter och partiklar eller strålning frigörs med förutbestämd energi och riktning. Den här sortens plasma är dock bångstyriga; laserpulsen levererar stora mängder energi på mycket kort tid (miljondelar av en nanosekund) vilket självfallet resulterar i en explosion. Om man lyckas kontrollera den explosionen så skulle de kunna användas för att accelerera elektroner eller joner med mycket enklare och billigare utrustning än vad som finns nu. Med laserbaserad jonacceleration skulle cancerbehandling med jonstrålar – som har många fördelar över den strålbehandling med elektroner eller gammastrålar som finns nu – kunna bli mycket mer tillgänglig. För att kunna kontrollera plasmats explosion behövs noggrann modellering och metoder för att diagnostisera plasmat, vilket har varit huvuddelen av arbetet som ingår i denna avhandling.

Combining intense extreme ultraviolet and relativistic electron pulses for novel attosecond experiments.

Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse (2020.0111), 2021-01-01 -- 2025-12-31.

Plasmabaserade kompakta jonkällor

Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse (KAW 2013.0078), 2014-07-01 -- 2019-06-30.

Skena och skina

Europeiska kommissionen (EU) (EC/H2020/647121), 2015-10-01 -- 2020-09-30.

Infrastruktur

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

Ämneskategorier

Fusion, plasma och rymdfysik

ISBN

978-91-7905-743-5

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5209

Utgivare

Chalmers

PJ-salen, Origohuset, Kemigården 1

Opponent: Prof. Luís O. Silva, Instituto Superior Técnico, Universidade de Lisboa, Portugal

Mer information

Senast uppdaterat

2023-10-25