Temporal Aspects of High-Intensity Laser-Matter Interactions

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Utvecklingen av laserpulser med extremt hög intensitet har försett forskare med ett verktyg som gör det möjligt att studera vad som händer då dessa pulser växelverkar med olika slags materia. Då växelverkan sker med en gas kan till exempel ultrakorta pulser från ultraviolett till röntgenområdet genereras som övertoner till laserpulsen. Dessa övertoner kan göras kortare än en femtosekund (10-15 sekunder), det vill säga på attosekundsnivå (10-18 sekunder), vilket öppnar möjligheten att studera elektronernas rörelse inuti atomer. Om intensiteten hos laserpulserna, som växelverkar med gasen, ökas ytterligare kommer gasen att joniseras av pulsens främre del medan huvuddelen kommer att växelverka med ett plasma. Hastigheten på elektronerna, som oscillerar i laserfältet, kommer att öka med ökande intensitet. Om intensiteten är tillräckligt hög kommer deras hastighet att närma sig ljushastigheten och relativistiska effekter såsom massökning är inte längre försumbara. I denna avhandling presenteras olika experiment där växelverkan mellan laserpulser och materia har studerats. Tyngdpunkten ligger framförallt på tidsaspekterna hos dessa processer. Avhandlingsarbetet har varit uppdelat i två delar. I den ena delen har målet varit att studera höga övertoner. Olika metoder för att mäta tidsstrukturen hos dessa har utvecklats, både experimentellt och teoretiskt. I den andra delen har laserpulser med ännu högre intensitet använts för att studera de relativistiska effekter som uppstår då dessa pulser växelverkar med materia. Övertonernas tidsstruktur har framförallt studerats med hjälp av en teknik som bygger på att de joniserar en gas i närvaro av en stark infraröd laserpuls. Då övertonerna och den infraröda pulsen befinner sig samtidigt i gasen generas så kallade sidband i det bildade elektronspektrat. Genom att fördröja pulserna relativt varandra och dels studera hur sidbandets styrka och dels hur dess position varierar, kan övertonernas längd och frekvensmodulation kartläggas. Med hjälp av övertoner kan attosekundspulser skapas, antingen som enskilda pulser eller som pulståg. I denna avhandling visas exempel på hur ett tåg av attosekundspulser kan mätas. Det uppmätta pulståget är uppbyggt av sex övertoner och varje puls är ungefär 250 attosekunder lång. Ett alternativt sätt att generera enskilda attosekundspulser har också studerats genom att isolera en av de ingående pulserna i tåget med hjälp av en varierande ellipticitet på laserpulsen. Även om enskilda attosekundspulser inte genererades kunde det påvisas att tekniken som sådan fungerar och erbjuder ett enkelt sätt att skapa övertoner som är kortare än vad som annars hade varit möjligt. I denna avhandling presenteras även experiment som är utförda med laserpulser vars intensitet är så hög att den befinner sig i det relativistiska området. Den relativistiska massökningen av elektronerna leder till en variation av brytningsindex hos plasmat, vilket resulterar i bildandet av en relativistisk kanal. I en relativistisk kanal kan laserintensiteten hållas hög över en sträcka längre än vad som annars är möjligt, vilket är just det förhållande som krävs för att med hjälp av en laser effektivt accelerera elektroner i framåtriktningen. Hur man genom att variera pulslängden kan ändra längden på den skapade relativistiska kanalen och hur man i dessa kanaler kan accelerera elektroner till extremt höga hastigheter presenteras i denna avhandling.