Electromagnetic rogue waves in beam-plasma interactions

The occurrence of rogue waves (freak waves) associated with electromagnetic pulse propagation interacting with a plasma is investigated, from first principles. A multiscale technique is employed to solve the fluid Maxwell equations describing weakly nonlinear circularly polarized electromagnetic pulses in magnetized plasmas. A nonlinear Schrödinger (NLS) type equation is shown to govern the amplitude of the vector potential. A set of non-stationary envelope solutions of the NLS equation are considered as potential candidates for the modeling of rogue waves (freak waves) in beam-plasma interactions, namely in the form of the Peregrine soliton, the Akhmediev breather and the Kuznetsov-Ma breather. The variation of the structural properties of the latter structures with relevant plasma parameters is investigated, in particular focusing on the ratio between the (magnetic field dependent) cyclotron (gyro-)frequency and the plasma frequency. © 2013 IOP Publishing Ltd.

High order harmonics from relativistic electron spikes

A new regime of relativistic high-order harmonic generation has been discovered (Pirozhkov 2012 Phys. Rev. Lett. 108 135004). Multi-terawatt relativistic-irradiance (>1018 W cm−2) femtosecond (~30–50 fs) lasers focused to underdense (few × 1019 cm−3) plasma formed in gas jet targets produce comb-like spectra with hundreds of even and odd harmonic orders reaching the photon energy of 360 eV, including the 'water window' spectral range. Harmonics are generated either by linearly or circularly polarized pulses from the J-KAREN (KPSI, JAEA) and Astra Gemini (CLF, RAL, UK) lasers. The photon number scalability has been demonstrated with a 120 TW laser, producing 40 μJ sr−1 per harmonic at 120 eV. The experimental results are explained using particle-in-cell simulations and catastrophe theory. A new mechanism of harmonic generation by sharp, structurally stable, oscillating electron spikes at the joint of the boundaries of the wake and bow waves excited by a laser pulse is introduced. In this paper, detailed descriptions of the experiments, simulations and model are provided and new features are shown, including data obtained with a two-channel spectrograph, harmonic generation by circularly polarized laser pulses and angular distribution.

Broadband XUV polarimetry of high harmonics from plasma surfaces using multiple Fresnel reflections

High-harmonic generation (HHG) by nonlinear interaction of intense laser pulses with gases or plasma surfaces is the most prominent way of creating highly coherent extreme ultraviolet (EUV/XUV) pulses. In the last years, several scientific applications have been found which require the measurement of the polarization of the harmonic radiation. We present a broadband XUV polarimeter based on multiple Fresnel reflections providing an extinction rate of 5-25 for 17-45 nm which is particularly suited for surface harmonics. The device has first been tested at a gas harmonic source providing linearly polarized XUV radiation. In a further experiment using HHG from plasma surfaces, the XUV polarimeter allowed a polarization measurement of high harmonic radiation from plasma surfaces for the first time which reveals a linear polarization state as predicted for our generation parameters. The generation and control of intense polarized XUV pulses-together with the availability of broadband polarizers in the XUV-open the way for a series of new experiments. For instance, dichroism in the XUV, elliptically polarized harmonics from aligned molecules, or the selection rules of relativistic surface harmonics can be studied with the broadband XUV polarimeter.

Evidence of plasma polarization shift of Ti He-alpha resonance line in high density laser produced plasmas

A spectroscopic study of the He-alpha (1s(2) S-1(0) - 1s2p P-1(1)) line emission (4749.73 eV) from high density plasma was conducted. The plasma was produced by irradiating Ti targets with intense (I approximate to 1x10(19) W/cm(2)), 400nm wavelength high contrast, short (45fs) p-polarized laser pulses at an angle of 45 degrees. A line shift up to 3.4 +/- 1.0 eV (1.9 +/- 0.55 m angstrom) was observed in the He-alpha line. The line width of the resonance line at FWHM was measured to be 12.1 +/- 0.6 eV (6.7 +/- 0.35 m angstrom). For comparison, we looked into the emission of the same spectral line from plasma produced by irradiating the same target with laser pulses of reduced intensities (approximate to 10(17) W/cm(2)): we observed a spectral shift of only 1.8 +/- 1.0 eV (0.9 +/- 0.55m angstrom) and the line-width measures up to 5.8 +/- 0.25 eV (2.7 +/- 0.35 m angstrom). These data provide evidence of plasma polarization shift of the Ti He-alpha line.

Laser-driven three-stage heavy-ion acceleration from relativistic laser-plasma interaction

A three-stage heavy ion acceleration scheme for generation of high-energy quasimonoenergetic heavy ion beams is investigated using two-dimensional particle-in-cell simulation and analytical modeling. The scheme is based on the interaction of an intense linearly polarized laser pulse with a compound two-layer target (a front heavy ion layer + a second light ion layer). We identify that, under appropriate conditions, the heavy ions preaccelerated by a two-stage acceleration process in the front layer can be injected into the light ion shock wave in the second layer for a further third-stage acceleration. These injected heavy ions are not influenced by the screening effect from the light ions, and an isolated high-energy heavy ion beam with relatively low-energy spread is thus formed. Two-dimensional particle-in-cell simulations show that ∼100MeV/u quasimonoenergetic Fe24+ beams can be obtained by linearly polarized laser pulses at intensities of 1.1×1021W/cm². 

Optimierung der laserinduzierten Plasmaspektroskopie an Metallen durch Femtosekunden-Doppelpulse für die Entwicklung eines hochauflösenden 3D-Rasterabbildungsverfahrens

Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) ist eine spektrochemische Elementanalyse zur Bestimmung der atomaren Zusammensetzung einer beliebigen Probe. Für die Analyse ist keine spezielle Probenpräparation nötig und kann unter atmosphärischen Bedingungen an Proben in jedem Aggregatzustand durchgeführt werden. Femtosekunden Laserpulse bieten die Vorteile einer präzisen Ablation mit geringem thermischen Schaden sowie einer hohen Reproduzierbarkeit. Damit ist fs-LIPS ein vielversprechendes Werkzeug für die Mikroanalyse technischer Proben, insbesondere zur Untersuchung ihres Ermüdungsverhaltens. Dabei ist interessant, wie sich die initiierten Mikrorisse innerhalb der materialspezifschen Struktur ausbreiten. In der vorliegenden Arbeit sollte daher ein schnelles und einfach zu handhabendes 3D-Rasterabbildungsverfahren zur Untersuchung der Rissausbreitung in TiAl, einer neuen Legierungsklasse, entwickelt werden. Dazu wurde fs-LIPS (30 fs, 785 nm) mit einem modifizierten Mikroskopaufbau (Objektiv: 50x/NA 0.5) kombiniert, welcher eine präzise, automatisierte Probenpositionierung ermöglicht. Spektrochemische Sensitivität und räumliches Auflösungsvermögen wurden in energieabhängigen Einzel- und Multipulsexperimenten untersucht. 10 Laserpulse pro Position mit einer Pulsenergie von je 100 nJ führten in TiAl zum bestmöglichen Kompromiss aus hohem S/N-Verhältnis von 10:1 und kleinen Lochstrukturen mit inneren Durchmessern von 1.4 µm. Die für das Verfahren entscheidende laterale Auflösung, dem minimalen Lochabstand bei konstantem LIPS-Signal, beträgt mit den obigen Parametern 2 µm und ist die bislang höchste bekannte Auflösung einer auf fs-LIPS basierenden Mikro-/Mapping-Analyse im Fernfeld. Fs-LIPS Scans von Teststrukturen sowie Mikrorissen in TiAl demonstrieren eine spektrochemische Sensitivität von 3 %. Scans in Tiefenrichtung erzielen mit denselben Parametern eine axiale Auflösung von 1 µm. Um die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und ein besseres Verständnis für die physikalischen Prozesse während der Laserablation zu erhalten, wurde in Pump-Probe-Experimenten untersucht, in wieweit fs-Doppelpulse den laserinduzierten Abtrag sowie die Plasmaemission beeinflussen. Dazu wurden in einem Mach-Zehnder-Interferometer Pulsabstände von 100 fs bis 2 ns realisiert, Gesamtenergie und Intensitätsverhältnis beider Pulse variiert sowie der Einfluss der Materialparameter untersucht. Sowohl das LIPS-Signal als auch die Lochstrukturen zeigen eine Abhängigkeit von der Verzögerungszeit. Diese wurden in vier verschiedene Regimes eingeteilt und den physikalischen Prozessen während der Laserablation zugeordnet: Die Thermalisierung des Elektronensystems für Pulsabstände unter 1 ps, Schmelzprozesse zwischen 1 und 10 ps, der Beginn des Abtrags nach mehreren 10 ps und die Expansion der Plasmawolke nach über 100 ps. Dabei wird das LIPS-Signal effizient verstärkt und bei 800 ps maximal. Die Lochdurchmesser ändern sich als Funktion des Pulsabstands wenig im Vergleich zur Tiefe. Die gesamte Abtragsrate variiert um maximal 50 %, während sich das LIPS-Signal vervielfacht: Für Ti und TiAl typischerweise um das Dreifache, für Al um das 10-fache. Die gemessenen Transienten zeigen eine hohe Reproduzierbarkeit, jedoch kaum eine Energie- bzw. materialspezifische Abhängigkeit. Mit diesen Ergebnissen wurde eine gezielte Optimierung der DP-LIPS-Parameter an Al durchgeführt: Bei einem Pulsabstand von 800 ps und einer Gesamtenergie von 65 nJ (vierfach über der Ablationsschwelle) wurde eine 40-fache Signalerhöhung bei geringerem Rauschen erzielt. Die Lochdurchmesser vergrößerten sich dabei um 44 % auf (650±150) nm, die Lochtiefe um das Doppelte auf (100±15) nm. Damit war es möglich, die spektrochemische Sensitivität von fs-LIPS zu erhöhen und gleichzeitig die hohe räumliche Auflösung aufrecht zu erhalten.

Optical spin transfer in ferromagnetic semiconductors

Circularly polarized laser pulses that excite electron-hole pairs across the band gap of (III,Mn)V ferromagnetic semiconductors can be used to manipulate and to study collective magnetization dynamics. The initial spin orientation of a photocarrier in a (III,V) semiconductors is determined by the polarization state of the laser. We show that the photocarrier spin can be irreversibly transferred to the collective magnetization, whose dynamics can consequently be flexibly controlled by suitably chosen laser pulses. As illustrations we demonstrate the feasibility of all optical ferromagnetic resonance and optical magnetization reorientation.

L'impact du glissement en fréquence lors de l'accélération directe d'électrons par le faisceau laser

L’accélération directe d’électrons par des impulsions ultrabrèves de polarisation radiale fortement focalisées démontre un grand potentiel, notamment, pour la production de paquets d’électrons ultrabrefs. Plusieurs aspects de ce schéma d’accélération restent toutefois à être explorés pour en permettre une maîtrise approfondie. Dans le cadre du présent mémoire, on s’intéresse à l’ajout d’une dérive de fréquence au champ de l’impulsion TM01 utilisée. Les expressions exactes des composantes du champ électromagnétique de l’impulsion TM01 sont établies à partir d’une généralisation du spectre de Poisson. Il s’agit, à notre connaissance, du premier modèle analytique exact pour la description d’une impulsion avec une dérive de fréquence. Ce modèle est utilisé pour étudier l’impact du glissement en fréquence sur le schéma d’accélération, grâce à des simulations “particule test” unidimensionnelles, considérant en premier lieu une énergie constante par impulsion, puis un champ maximum constant. Les résultats révèlent que le glissement en fréquence diminue le gain en énergie maximum atteignable dans le cadre du schéma d’accélération à l’étude ; une baisse d’efficacité de plusieurs dizaines de pourcents peut survenir. De plus, les simulations mettent en évidence certaines différences reliées à l’utilisation d’impulsions avec une dérive vers les basses fréquences ou avec une dérive vers les hautes fréquences : il se trouve que, pour un glissement en fréquence de même grandeur, l’impulsion avec une dérive vers les basses fréquences conduit à un gain en énergie cinétique maximum plus élevé pour l’électron que l’impulsion avec une dérive vers les hautes fréquences.

Polarized immune responses modulated by layered double hydroxides nanoparticle conjugated with CpG

Modulation of the immune response is an important step in the induction of protective humoral and cellular immunity against pathogens. In this study, we investigated the possibility of using a nanomaterial conjugated with the toll-like receptor (TLR) ligand CpG to modulate the immune response towards the preferred polarity. MgAl-layered double hydroxide (LDH) nanomaterial has a very similar chemical composition to Alum, an FDA approved adjuvant for human vaccination. We used a model antigen, ovalbumin (OVA) to demonstrate that MgAl-LDH had comparable adjuvant activity to Alum, but much weaker inflammation. Conjugation of TLR9 ligand CpG to LDH nanoparticles significantly enhanced the antibody response and promoted a switch from Th2 toward Th1 response, demonstrated by a change in the IgG2a:IgG1 ratio. Moreover, immunization of mice with CpG-OVA-conjugated LDH before challenge with OVA-expressing B16/F10 tumor cells retarded tumor growth. Together, these data indicate that LDH nanomaterial can be used as an immune adjuvant to promote Th1 or Th2 dominant immune responses suitable for vaccination purposes.

Radiation damping effects on the ultrashort x-ray pulses generated by nonlinear Thomson backscattering

Nonlinear Thomson backscattering of an intense Gaussian laser pulse by a counterpropagating energetic electron is investigated by numerically solving the electron equation of motion taking into account the radiative damping force. The backscattered radiation characteristics are different for linearly and circularly polarized lasers because of a difference in their ponderomotive forces acting on the electron. The radiative electron energy loss weakens the backscattered power, breaks the symmetry of the backscattered-pulse profile, and prolongs the duration of the backscattered radiation. With the circularly polarized laser, an adjustable double-peaked backscattered pulse can be obtained. Such a profile has potential applications as a subfemtosecond x-ray pump and probe with adjustable time delay and power ratio. (c) 2006 American Institute of Physics.

Spin-polarized current produced by a double barrier resonant tunneling diode

The spin-polarized tunneling current through a double barrier resonant tunneling diode (RTD) made with a semimagnetic semiconductor is studied theoretically. The calculated spin-polarized current and polarization degree are in agreement with recent experimental results. It is predicted that the polarization degree can be modulated continuously from + 1 to - 1 by changing the external voltage such that the quasi-confined spin-up and spin-down energy levels shift downwards from the Fermi level to the bottom of the conduction band. The RTD with low potential barrier or the tunneling through the second quasi-confined state produces larger spin-polarized current. Furthermore a higher magnetic field enhances the polarization degree of the tunneling current. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Beam-target double-spin asymmetry A{LT} in charged pion production from deep inelastic scattering on a transversely polarized {3}He target at 1.4

We report the first measurement of the double-spin asymmetry A{LT} for charged pion electroproduction in semi-inclusive deep-inelastic electron scattering on a transversely polarized {3}He target. The kinematics focused on the valence quark region, 0.16