Evolution of linearly polarized electromagnetic pulses in laser plasmas

An analytical and numerical investigation is presented of the behavior of a linearly polarized electromagnetic pulse as it propagates through a plasma. Considering a weakly relativistic regime, the system of one-dimensional fluid-Maxwell equations is reduced to a generalized nonlinear Schrodinger type equation, which is solved numerically using a split step Fourier method. The spatio-temporal evolution of an electromagnetic pulse is investigated. The evolution of the envelope amplitude of density harmonics is also studied. An electromagnetic pulse propagating through the plasma tends to broaden due to dispersion, while the nonlinear frequency shift is observed to slow down the pulse at a speed lower than the group velocity. Such nonlinear effects are more important for higher density plasmas. The pulse broadening factor is calculated numerically, and is shown to be related to the background plasma density. In particular, the broadening effect appears to be stronger for dense plasmas. The relation to existing results on electromagnetic pulses in laser plasmas is discussed. (c) 2008 American Institute of Physics.

Attosecond phase locking of harmonics emitted from laser-produced plasmas

Laser-driven coherent extreme-ultraviolet (XUV) sources provide pulses lasting a few hundred attoseconds(1,2), enabling real-time access to dynamic changes of the electronic structure of matter(3,4), the fastest processes outside the atomic nucleus. These pulses, however, are typically rather weak. Exploiting the ultrahigh brilliance of accelerator-based XUV sources(5) and the unique time structure of their laser-based counterparts would open intriguing opportunities in ultrafast X-ray and high-field science, extending powerful nonlinear optical and pump-probe techniques towards X-ray frequencies, and paving the way towards unequalled radiation intensities. Relativistic laser-plasma interactions have been identified as a promising approach to achieve this goal(6-13). Recent experiments confirmed that relativistically driven overdense plasmas are able to convert infrared laser light into harmonic XUV radiation with unparalleled efficiency, and demonstrated the scalability of the generation technique towards hard X-rays(14-19). Here we show that the phases of the XUV harmonics emanating from the interaction processes are synchronized, and therefore enable attosecond temporal bunching. Along with the previous findings concerning energy conversion and recent advances in high-power laser technology, our experiment demonstrates the feasibility of confining unprecedented amounts of light energy to within less than one femtosecond.

Development of XUV lasers at the RAL central laser facility

Recent progress in the development of XUV lasers by research teams using high-power and ultrashort-pulse Nd:glass and KrF laser facilities at the Rutherford Appleton Laboratory is reviewed. Injector-amplifier operation and prepulse enhanced output of the Ge XXIII collisional laser driven by a kilojoule glass laser, enhanced gain in CVI recombination with picosecond CPA drive pulses from a glass laser, and optical field ionization and XUV harmonic generation with a KrF CPA laser are described.

XUV spectroscopic characterization of warm dense aluminum plasmas generated by the free-electron-laser FLASH

We report on experiments aimed at the generation and characterization of solid density plasmas at the free-electron laser FLASH in Hamburg. Aluminum samples were irradiated with XUV pulses at 13.5 nm wavelength (92 eV photon energy). The pulses with duration of a few tens of femtoseconds and pulse energy up to 100 mu J are focused to intensities ranging between 10(13) and 10(17) W/cm(2). We investigate the absorption and temporal evolution of the sample under irradiation by use of XUV and optical spectroscopy. We discuss the origin of saturable absorption, radiative decay, bremsstrahlung and atomic and ionic line emission. Our experimental results are in good agreement with simulations.

Laser-driven generation of collimated ultra-relativistic positron beams

We report on recent experimental results concerning the generation of collimated (divergence of the order of a few mrad) ultra-relativistic positron beams using a fully optical system. The positron beams are generated exploiting a quantum-electrodynamic cascade initiated by the propagation of a laser-accelerated, ultra-relativistic electron beam through high-Z solid targets. As long as the target thickness is comparable to or smaller than the radiation length of the material, the divergence of the escaping positron beam is of the order of the inverse of its Lorentz factor. For thicker solid targets the divergence is seen to gradually increase, due to the increased number of fundamental steps in the cascade, but it is still kept of the order of few tens of mrad, depending on the spectral components in the beam. This high degree of collimation will be fundamental for further injection into plasma-wakefield afterburners.

Multichannel interference in high-order-harmonic generation from Ne+ driven by an ultrashort intense laser pulse

We apply the time-dependent R-matrix method to investigate harmonic generation from Ne+ at a wavelength of 390 nm and intensities up to 1015 W cm−2. The 1s22s22p4 (3Pe,1De, and 1Se) states of Ne2+ are included as residual-ion states to assess the influence of interference between photoionization channels associated with these thresholds. The harmonic spectrum is well approximated by calculations in which only the 3Pe and 1De thresholds are taken into account, but no satisfactory spectrum is obtained when a single threshold is taken into account. Within the harmonic plateau, extending to about 100 eV, individual harmonics can be suppressed at particular intensities when all Ne2+ thresholds are taken into account. The suppression is not observed when only a single threshold is accounted for. Since the suppression is dependent on intensity, it may be difficult to observe experimentally.

Warm Dense Aluminum Plasma generated by the Free-Electron-Laser FLASH

We report on experiments aimed at the generation and characterization of solid density plasmas at the free-electron laser FLASH in Hamburg. Aluminum samples were irradiated with XUV pulses at 13.5 nm wavelength (92 eV photon energy). The pulses with duration of a few tens of femtoseconds and pulse energy up to 100 mu J are focused to intensities ranging from 10(13) to 10(17) W/cm(2). We investigate the absorption and temporal evolution of the sample under irradiation by use of XUV spectroscopy. We discuss the origin of saturable absorption, radiative decay, bremsstrahlung and ionic line emission. Our experimental results are in good agreement with hydrodynamic simulations.

Etude de la structuration laser femtoseconde multi-échelle de verres d’oxydes dopés à l’argent

La structuration laser femtoseconde de verres d’oxydes est aujourd’hui un domaine de recherche en pleine expansion. L’interaction laser-matière est de plus en plus utilisée pour sa facilité de mise en œuvre et les nombreuses applications qui découlent de la fabrication des composants photoniques, déjà utilisés dans l’industrie des hautes technologies. En effet, un faisceau d’impulsions ultracourtes focalisé dans un matériau transparent atteint une intensité suffisante pour modifier la matière en trois dimensions sur des échelles micro et nanométriques. Cependant, l’interaction laser-matière à ces régimes d’intensité n’est pas encore complètement maîtrisée, et les matériaux employés ne sont pas entièrement adaptés aux nouvelles applications photoniques. Par ce travail de thèse, nous nous efforçons donc d’apporter des réponses à ces interrogations. Le mémoire est articulé autour de deux grands volets. Le premier aborde la question de l’interaction de surface de verres avec de telles impulsions lumineuses qui mènent à l’auto-organisation périodique de la matière structurée. L’influence du dopage en ions photosensibles et des paramètres d’irradiation est étudiée afin d’appuyer et de conforter le modèle d’incubation pour la formation de nanoréseaux de surface. À travers une approche innovante, nous avons réussi à apporter un contrôle de ces structures nanométriques périodiques pour de futures applications. Le second volet traite de cristallisation localisée en volume induite en grande partie par l’interaction laser-matière. Plusieurs matrices vitreuses, avec différents dopages en sel d’argent, ont été étudiées pour comprendre les mécanismes de précipitation de nanoparticules d’argent. Ce travail démontre le lien entre la physicochimie de la matrice vitreuse et le caractère hors équilibre thermodynamique de l’interaction qui influence les conditions de nucléation et de croissance de ces nano-objets. Tous ces résultats sont confrontés à des modélisations de la réponse optique du plasmon de surface des nanoparticules métalliques. Les nombreuses perspectives de ce travail ouvrent sur de nouvelles approches quant à la caractérisation, aux applications et à la compréhension de l’interaction laser femtoseconde pour l’inscription directe de briques photoniques dans des matrices vitreuses.

Excitation of Phonons in Solids and Nanostructures by Intense Laser and XUV Pulses and by Low Energy Atomic Collision

Intensive, ultrakurze Laserpulse regen Festkörper in einen Zustand an, in dem die Elektronen hohe Temperaturen erlangen, während das Gitter kalt bleibt. Die heißen Elektronen beeinflussen das sog. Laser-angeregte interatomare Potential bzw. die Potentialenergiefläche, auf der die Ionen sich bewegen. Dieses kann neben anderen ultrakurzen Prozessen zu Änderungen der Phononfrequenzen (phonon softening oder phonon hardening) führen. Viele ultrakurze strukturelle Phänomene in Festkörpern hängen bei hohen Laseranregungen von Änderungen der Phononfrequenzen bei niedrigeren Anregungen ab. Um die Laser-bedingten Änderungen des Phononenspektrums von Festkörpern beschreiben zu können, haben wir ein auf Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie basierendes Verfahren entwickelt. Die dramatischen Änderungen nach einer Laseranregung in der Potentialenergiefläche werden durch die starke Veränderung der Zustandsdichte und der Besetzungen der Elektronen hervorgerufen. Diese Änderungen in der Zustandsdichte und den Besetzungszahlen können wir mit unserer Methode berechnen, um dann damit das Verhalten der Phononen nach einer Laseranregung zu analysieren. Auf diese Art und Weise studierten wir den Einfluss einer Anregung mit einem intensiven, ultrakurzen Laserpuls auf repräsentative Phonon Eigenmoden in Magnesium, Kupfer und Aluminium. Wir stellten dabei in manchen Gitterschwingungen entweder eine Abnahme (softening) und in anderen eine Zunahme (hardening) der Eigenfrequenz fest. Manche Moden zeigten bei Variation der Laseranregungsstärke sogar beide Verhaltensweisen. Das eine Phonon-Eigenmode ein hardening und softening zeigen kann, wird durch das Vorhandensein von van Hove Singularitäten in der elektronischen Zustandsdichte des betrachteten Materials erklärt. Für diesen Fall stellt unser Verfahren zusammen mit der Sommerfeld-Entwicklung die Eigenschaften der Festkörper Vibrationen in Verbindung mit den Laser induzierten Veränderungen in den elektronischen Besetzungen für verschiedene Phonon-eingefrorene Atomkonfigurationen. Auch die absolute Größe des softening und hardening wurde berechnet. Wir nehmen an, dass unsere Theorie Licht in die Effekte der Laseranregung von verschiedenen Materialien bringt. Außerdem studierten wir mit Hilfe von Dichtefunktionaltheorie die strukturellen Material-Eigenschaften, die durch kurze XUV Pulse induziert werden. Warme dichte Materie in Ultrakurzpuls angeregten Magnesium wurde analysiert und verglichen mit den Ergebnissen bei durch Laser Anregung bedingten Änderungen. Unter Verwendung von elektronischer-Temperatur-abhängiger Dichtefunktionaltheorie wurden die Änderungen in den Bindungseigenschaften von warmen dichten Magnesium studiert. Wir stellten dabei beide Effekte, Verstärkung und Abschwächung von Bindungen, bei jeweils verschiedenen Phonon Eigenmoden von Magnesium auf Grund von der Erzeugung von Rumpflöchern und dem Vorhandensein von heißen Elektronen fest. Die zusätzliche Erzeugung von heißen Elektronen führt zu einer Änderung der Bindungscharakteristik, die der Änderung, die durch die bereits vorhandenen Rumpflöcher hervorgerufen wurde, entgegen wirkt. Die thermischen Eigenschaften von Nanostrukturen sind teilweise sehr wichtig für elektronische Bauteile. Wir studierten hier ebenfalls den Effekt einer einzelnen Graphen Lage auf Kupfer. Dazu untersuchten wir mit Dichtefunktionaltheorie die strukturellen- und Schwingungseigenschaften von Graphen auf einem Kupfer Substrat. Wir zeigen, dass die schwache Wechselwirkung zwischen Graphen und Kupfer die Frequenz der aus der Ebene gerichteten akustischen Phonon Eigenmode anhebt und die Entartung zwischen den aus der Ebene gerichteten akustischen und optischen Phononen im K-Punkt des Graphen Spektrums aufhebt. Zusätzlich führten wir ab initio Berechnungen zur inelastischen Streuung eines Helium Atoms mit Graphen auf einem Kuper(111) Substrat durch. Wir berechneten dazu das Leistungsspektrum, das uns eine Idee über die verschiedenen Gitterschwingungen des Graphene-Kuper(111) Systems gibt, die durch die Kollision des Helium Atom angeregt werden. Wir brachten die Positionen der Peaks im Leistungsspektrum mit den Phonon Eigenfrequenzen, die wir aus den statischen Rechnungen erhalten haben, in Beziehung. Unsere Ergebnisse werden auch verglichen mit den Ergebnissen experimenteller Daten zur Helium Streuung an Graphen-Kupfer(111) Oberflächen.