Генерация гамма-излучения большой яркости и когерентных аттосекундных рентгеновских импульсов при взаимодействии мощных лазерных импульсов с газовыми струями

В проекте исследуется формирование релятивистских электронных зеркал (электронных сгустков с диаметром порядка нескольких микрон при толщине от нескольких нанометров до десятков и сотен нанометров) из ленточных газовых струй докритической концентрации мощным лазерным импульсом и использование этих зеркал для генерации некогерентного гамма-излучения большой яркости и мощных когерентных рентгеновских импульсов аттосекундной длительности. Такая задача ставится впервые. Некогерентное излучение жесткого рентгеновского и гамма диапазонов широко используются в настоящее время в научных исследованиях и технологических применениях. Важнейшей характеристикой таких источников является их яркость. Размеры современных систем составляют сотни метров. Когерентные аттосекундные импульсы рентгеновского диапазона могут найти широчайшее применение от визуализации динамических состояний сложных молекул до медицинской диагностики. Чрезвычайно важной является возможность точно контролировать параметры рентгеновского излучения, такие как длительность импульса, частоту, амплитуду и форму огибающей. Заложенные в проекте идеи позволят, с одной стороны, за счет высокой концентрации электронов в сгустке и его малых размеров поднять яркость некогерентного источника, обеспечивая при использовании настольных лазерных систем мощностью в несколько десятков тераватт создание мощного «комнатного» источника жесткого рентгеновского и гамма диапазонов. С другой стороны, отражение пробного лазерного импульса от релятивистских электронных зеркал, сформированных из газовых струй, позволит осуществить генерацию мощных когерентных рентгеновских импульсов с полностью контролируемыми параметрами. Требования к фронту ускоряющего лазерного импульса для газовых мишеней существенно снижаются по сравнению с мишенями из нанопленки, а время жизни релятивистских электронных зеркал может быть значительно больше, кроме того, применение газовых мишеней облегчает создание установки с высокой частотой повторения импульсов. Все это значительно расширяет область применимости таких зеркал. В силу особенности предлагаемой схемы генерации, одновременно оказываются доступны для использования три жестко синхронизированных во времени луча разной физической природы – субфемтосекундный электронный пучок, фемтосекундный формирующий лазерный импульс и рентгеновский или гамма импульс аттосекундной длительности, что является уникальным качеством для различных применений во множестве областей, начиная от метрологических и научно-исследовательских приложений и заканчивая медицинскими и оборонными применениями. В проекте будут определены условия взаимодействия лазерных импульсов с газовыми струями, оптимальные для формирования релятивистских электронных зеркал, а также с помощью численного моделирования исследованы характеристики мощных когерентных рентгеновских импульсов аттосекундной длительности и некогерентного гамма-излучения большой яркости. Еще одним направлением исследований будет изучение возможности формирования многослойного релятивистского электронного зеркала с внутренней мелкомасштабной группировкой электронов по типу группировки в лазерах на свободных электронах. В этом случае в зависимости от длительности пробного лазерного импульса могут быть получены как когерентные рентгеновские импульсы с увеличенной интенсивностью, так и импульсы с увеличенной длительностью, определяемой параметрами мелкомасштабной группировки. В проекте предполагается также теоретически и экспериментально изучить возможности формирования газовых струй с заданными характеристиками, что позволит использовать их в дальнейшем на петаваттных лазерных установках, имеющихся в России и за рубежом.