Temporal Aspects of High-Intensity Laser-Matter Interactions

Abstract

The availability of short-pulse, high-intensity lasers has opened doors to new areas in atomic and plasma physics. The short pulses (a few femtoseconds), that are available today, enable unprecedented temporal measurements, while the high peak power accessible (several terawatts) allows physicists to study the interaction between light and relativistic plasmas. The aim of this work was twofold: i) to generate and characterize extreme ultraviolet (XUV) harmonic emission from the interaction between a gas and an intense laser pulse, and ii) to study phenomena occurring in the interaction between laser-produced plasmas and laser pulses with intensities exceeding 10¹⁸ W/cm².



The first part was aimed at improving our understanding of high-order harmonic emission in general and its time–frequency structure in particular. Spectrally, this harmonic emission consists of a comb of frequencies where each tooth in the “comb” corresponds to a pulse with a duration of the order of the laser pulse driving the generation process (typically a few tens of femtoseconds). Temporally, the superposition of several of these harmonics may form a train of attosecond pulses.



In this work different methods of characterizing these XUV pulses have been studied, both experimentally and theoretically. Based on the technique of so-called sideband generation, which is simply the cross-correlation signal between XUV pulses and ultrashort infrared pulses (~ 10 fs) in a photoelectron spectrum, time–frequency characterization of individual harmonics has been demonstrated. Using a similar technique, trains of pulses of attosecond duration have also been observed.



In the second part, the interaction between plasmas and laser pulses at relativistic intensities has been studied. Fascinating phenomena are observed, such as relativistic channelling and the acceleration of electrons to energies of several MeV over distances as short as 1 mm. The work focused mainly on the influence of the laser pulse duration in the laser–plasma interaction.

Abstract (Swedish)

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 <i>sidband</i> 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 <i>relativistisk kanal</i>. 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.

• author: Mauritsson, Johan
• supervisor: Claes-Göran Wahlström
• opponent: Professor Bucksbaum, Philip H., USA
• organization: Atomic Physics
• publishing date: 2003
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Atom and Molecular Physics and Optics
• keywords: Particle Acceleration, Laser technology, Relativistic Self-Focusing, High-Intensity Lasers, Attosecond Pulses, Pulse Characterization, XUV, High-Order Harmonics, Ultrashort Pulses, Laserteknik, Atom- och molekylärfysik, Atomic and molecular physics, Fysicumarkivet A:2003:Mauritsson
• in: Lund Report on Atomic Physics
• pages: 192 pages
• defense location: Lecture hall B, Department of Physics, Lund Institute of Technology
• defense date: 2003-12-05 10:15:00
• ISSN: 0281-2762
• ISBN: 91-628-5859-9
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Time–Frequency Characterization of Femtosecond Extreme Ultraviolet PulsesJ. Norin, J. Mauritsson, A. Johansson, M. K. Raarup, S. Buil, A. Persson, O. Dühr, M. B. Gaarde, K. J. Schafer, U. Keller, C.-G. Wahlström and A. L’HuillierPhys. Rev. Lett 88, 193901, 2002. Article: Time–Frequency Characterization of High-order Harmonic PulsesR. López-Martens, J. Mauritsson, A. Johansson, J. Norin and A. L’HuillierEur. Phys. J. D 26, pp. 105-109, 2003. Article: Measurement and Control of the Frequency Chirp Rate of High-Order Harmonic PulsesJ. Mauritsson, R. López-Martens, P. Johnsson, A. L’Huillier W. Kornelis, J. Biegert, U. Keller, M. Gaarde and K. J. SchaferManuscript in preparation. Article: Polarization Effects in Two-Photon Non-Resonant Ionization of Argon with Extreme Ultraviolet and Infrared Femtosecond PulsesP. O’Keeffe, R. López-Martens, J. Mauritsson, A. Johansson, A. L’Huillier, V. Véniard, R. Taïeb, A. Maquet and M. MeyerManuscript in preparation. Article: Time-Resolved Ellipticity Gating of High-Order Harmonic EmissionR. López-Martens, J. Mauritsson, P. Johnsson, A. L’Huillier, O. Tcherbakoff, A. Zaïr, E. Mével and E. ConstantSubmitted to Phys. Rev. Lett. Article: Ponderomotive Shearing for Spectral Interferometry of Extreme Ultraviolet PulsesJ. Mauritsson, R. López-Martens, A. L’Huillier and K. J. SchaferAccepted for publication in Opt. Lett. December 2003. Article: The Predissociation of Highly Excited States in Acetylene by Time-Resolved Photoelectron SpectroscopyS. Zamith, V. Blanchet, B. Girard, J. Norin, J. Mauritsson, A. L’Huillier, J. Andersson, S. L. Sörensen, I. Hjelte, O. Björneholm and D. GauyacqJ. Chem. Phys. 119, pp. 3763-3773, 2003. Article: Influence of Laser Pulse Duration on Relativistic ChannelsC. Delfin, V. Lokhnygin, J. Mauritsson, A. Sjögren, C.-G. Wahlström, A. Pukhov and G. D. TsakirisPhys. Plasmas 9, pp. 937-940, 2001. Article: Relativistic Channel Formation for Different Laser Pulse DurationsA. Sjögren, J. Mauritsson, C. Delfin, V. Lokhnygin,C.-G. Wahlström, A. Pukhov and G. D. TsakirisSecond International Conference on Superstrong Fields inPlasmas. American Institute of Physics ConferenceProceedings, 611, pp. 119-125, 2002. Article: Pulse Propagation Through Different Materials, User-Friendly Simulation SoftwareJ. MauritssonLund Reports on Atomic Phsics 310, 2000.
• id: 89ab4905-b4f9-4d2e-b236-a44cbe2d488a (old id 466497)
• alternative location: http://www.atto.fysik.lth.se/publications/phd/mauritsson_LRAP312_2003.pdf
• date added to LUP: 2016-04-01 15:21:23
• date last changed: 2019-05-21 17:47:28