Transient Plasma Photonic Crystals - A Route Towards Slow Ultra-intense Light?

Abstract

Periodic electron and ion density modulations in near critical density plasmas induced by counterpropagating femtosecond pulses of intensities on the order of 10¹⁵ to 10¹⁶ Wcm⁻² are described in a linear and stationary regime and investigated using particle-in-cell simulations in one and two dimensions. The periodic gratings produce transient plasma photonic crystals lasting up to several picoseconds with ultra-wide angle-selective band gaps on the order of Δω/ω₀ ≈ 10-20%. The slow light effects and transmission of ultra-short pulses of intensities up to 10¹⁷ Wcm⁻² near the band gap are studied both as a function of frequency and angle of incidence, demonstrating group velocities which are consistently below those in a uniform plasma of the same average density. The velocities are found to approach zero near the gap at the cost of high reflection and dispersion. Furthermore, the effect of ion mass and driving pulse chirp on the transient structures are studied. Finally, the band gaps may be used to repeatedly reflect a short intense pulse in a waveguide-like fashion with effective propagation velocity as low as ~10% of the speed of light.

Popular Abstract (Swedish)

Långsamma pulser är intressanta för acceleration av till exempel protoner. Protoner som accelereras till höga hastigheter kan i förlängningen användas till mer skonsam behandling av cancer, där en större del av energin dödar cancercellerna istället för friska celler runt om. Det är emellertid mycket svårt att få protoner att färdas i de hastigheter som krävs. Konventionella partikelacceleratorer är ofta enorma ringformade byggnader, som kan vara flera kilometer långa. För att vara tillämpbart i vård behövs en kompakt lösning, något som använding av lasrar skulle kunna erbjuda.

För att förstå hur långsamt ljus kan utnyttjas kan man göra en jämförelse med en surfare. Surfaren måste paddla upp i en hastighet som matchar vågens för att bli upplockad och ta del av vågens energi. På ett liknande sätt behöver en proton komma upp i ljuspulsens hastighet för att accelereras, men att få protoner med hög hastighet var precis det problem som skulle lösas. En tänkbar lösning är därför att istället sakta ner ljuset till protonens hastighet.

För att sänka hastigheten på en ljuspuls kan strukturerade material användas, i det här fallet plasmastrukturer. Ett plasma är en joniserad gas, alltså en gas där elektronerna har frigjorts från sina atomer. Genom att använda två motriktade lasrar inne i ett plasma skapas en stående våg, det vill säga en vågform som inte förflyttar sig i sidled utan bara upp och ner. En stående våg kan man enkelt se genom att till exempel hålla ut ett rep mellan två personer och skaka det upp och ner i precis rätt hastighet. I det här fallet består dock vågen av ljusvågor.

Den stående vågen används för att skapa strukturen i plasmat. Förenklat kan man tänka sig att partiklar som befinner sig på toppen av vågen kommer att rulla ner till botten. På så vis skapas en upprepande struktur i plasmat med skikt av låg respektive hög densitet. När den stående vågen försvinner återgår plasmat långsamt till att vara jämnt fördelat.

Så hur kan plasmastrukturen användas för att få långsamt ljus? Man kan tänka sig varje skikt likt en vägg med många små hål. Varje foton (ljuspartikel) har en viss chans att åka igenom och en viss chans att studsa tillbaka. Om en grupp med många fotoner infaller på kort tid (en ljuspuls) studsar de enskilda fotonerna fram och tillbaka mellan skikten ett antal gånger. På så vis tar det i genomsnitt längre tid för den enskilda fotonen att färdas genom strukturen och därmed har även ljuspulsen som helhet färdats långsammare.

Att skikten är uppbyggda av just plasma tillåter ljuspulser med ultrahög intensitet att saktas ner. De höga intensiteterna skulle förstöra vanliga material på ett ögonblick, men är nödvändig för att göra uppställningen kompakt och accelerera protonerna till höga hastigheter på en kort sträcka.

I arbetet undersöks, med hjälp av datorsimuleringar, hur plasmastrukturer kan skapas med stående vågor samt möjligheterna för dessa strukturer att sakta ner ljuspulser med ultrahög intensitet. Simuleringarna visar att ljuspulserna kan saktas in till lägre än halva ljusets hastighet i vakuum. För att accelerera protoner krävs dock hastigheter på närmare 10% av ljusets hastighet. Dessa hastigheter kan uppnås, men de enkla strukturerna har en begränsning: ju långsammare ljuset går desto mindre av ljuset släpps igenom. Det går dock att komma runt den här begränsningen. Genom att använda två jämsides placerade plasmastrukturer, separerade med en smal kanal av vakuum, kan en ljuspuls med hög intensitet studsa fram och tillbaka inne i kanalen och långsamt röra sig framåt längs kanalen. I simuleringar uppnås på så vis pulser med hög intensitet och hastigheter nära 10% av ljusets hastighet i vakuum, där hastigheten längs kanalen beror av vinkeln som ljuspulsen faller in med.

Möjligheten finns även att mer avancerade strukturer skulle kunna ge låga hastigheter som bevarar den höga ljusintensiteten som krävs för protonacceleration. Sådana strukturer kan uppnås genom att till exempel använda fler än två lasrar, riktade mot plasmat i olika vinklar, för att skapa komplicerade stående vågor.

• author: Weissenbilder, Robin
• supervisor: Claes-Göran Wahlström; Henrik Ekerfelt
• organization: Atomic Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20181
• year: 2018
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: slow, light, plasma, photonic, crystal, transient, ultra-intense, short, pulse, laser
• language: English
• id: 8952142
• date added to LUP: 2018-06-21 17:02:22
• date last changed: 2018-06-21 17:02:22