Стимульоване комбінаційне розсіяння потужного променя в квантовій плазмі: вплив релятивістсько-пондеромоторної сили
Анотація
У цій роботі досліджується вимушене комбінаційне розсіювання потужного променя в квантовій плазмі внаслідок спільної дії релятивістської пондеромоторної сили (RP force). RP сила створює нелінійність у діелектричній функції плазми. Це призводить до зміни профілю густини в поперечному напрямку до осі променя накачування. Ця зміна профілю густини має суттєвий вплив на всі три хвилі, що беруть участь у процесі, а саме: вхідний промінь, промінь електронної плазми та розсіяну хвилю. Встановлено та додатково чисельно розв'язано ODE другого порядку для всіх трьох хвиль, а також вираз для зворотного відбиття SRS. Досліджено вплив відомих параметрів лазерної плазми, квантового внеску та комбінованої дії пондемоторної сили на перетяжки пучка різних хвиль, а також на зворотне відбиття SRS.
Завантаження
Посилання
M. Tabak, J. Hammer, M.E. Glinsky, W.L. Kruer, S.C. Wilks, J. Woodworth, E.M. Campbell, et al., “Ignition and high gain with ultrapowerful lasers,” Phys. Plasmas, 1, 1626–1634 (1994). https://doi.org/10.1063/1.870664
S. P. Regan, D. K. Bradley, A.V. Chirokikh, R. S. Craxton, D. D. Meyerhofer, W. Seka, R. W. Short, et al., “Laser-plasma interactions in long-scale-length plasmas under direct-drive National Ignition Facility conditions,” Phys. Plasmas, 6, 2072–2080 (1999). https://doi.org/10.1063/1.873716
D. Batani, V. Maslov, D. Bondar, et al., “Smoothing of transverse nonuniformities at the critical density in laser interaction with nonuniform plasmas. Laser part,” Beams, 43, 1-7 (2025). https://doi.org/10.1017/lpb.2025.10003
W.P. Leemans, A.J. Gonsalves, H.-S. Mao, et al., “Multi-GeV electron beams from capillary- discharge-guided subpetawatt laser pulses in the self-trapping regime,” Phys. Rev. Lett. 113, 245002 (2014). https://doi.org/10.1103/physrevlett.113.245002
S. Gessner, J. Osterhoff, C.A. Lindstrøm, et al. “Design initiative for a 10 TEV pCM wake field collider,” arXiv preprint arXiv:2503.20214. 2025. https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.20214
D.S. Bondar, I.P. Levchuk, V.I. Maslov, et al. “Dynamics of self-injected electron bunches at their acceleration by laser pulse in plasma,” Probl. Atom. Sci. Tech. 112, 76 (2017).
V.I. Maslov, O.M. Svystun, I.N. Onishchenko, et al., “Joint wake field acceleration by laser pulse and by self injected electron bunches. Probl. Atom. Sci. Tech. 106, 144 (2016).
V.I. Maslov, O.M. Svystun, I.N. Onishchenko, et al., “Dynamics of electron bunches at the laser–plasma interaction in the bubble regime,” Nucl. Instrum. Meth. A, 829, 422 (2016).
D.S. Bondar, W. Leemans, V.I. Maslov, and I.N. Onishchenko, “Laser-plasma acceleration in a conical plasma channel with longitudinally inhomogeneous plasma profile,” Probl. Atom. Sci. Tech. 4, 56-60 (2025). https://doi.org/10.46813/2025-158-056
H. Schamel, and V. Maslov, “Langmuir Wave Contraction Caused by Electron Holes,” Phys. Scr. T. 82, 122 (1999). https://doi.org/10.1238/physica.topical.082a00122
K. Walia, “Propagation characteristics of a high-power beam in weakly relativistic-ponderomotive thermal quantum plasma,” Commun. Theor. Phys. 75, 095501 (2023). https://doi.org/10.1088/1572-9494/accf82
K. Walia, “Nonlinear interaction of high power beam in weakly relativistic and ponderomotive cold quantum plasma,” Optik, 219, 165040 (2020). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165040
K. Walia, N. Mehra, and S. Pandit, “Propagation Characteristics of q-Gaussian Laser Beam in Cold Collisionless Plasma,” J. Contemp. Phys. 59, 378–385 (2024). https://doi.org/10.1134/s1068337225700203
W.L. Kruer, “Interaction of plasmas with intense lasers,” Phys. Plasmas, 7, 2270–2278 (2000). https://doi.org/10.1063/1.874061
M. Masek, and K. Rohlena, “Stimulated Raman scattering in the presence of trapped particle instability,” Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 13, 125-129 (2008). https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2007.04.011
E.S. Dodd, and D. Umstadter, “Coherent control of stimulated Raman scattering using chirped laser pulses,” Phys. Plasmas, 8, 3531–3534 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1382820
T. Miyakoshi, M.S. Jovanovic, Y. Kitagawa, R. Kodama, K. Mima, A.A. Offenberger, K.A. Tanaka, and T. Yamanaka, “Stimulated Raman back-scattering from a mm-scale inhomogeneous plasma irradiated with ultra-intense laser pulse,” Phys. Plasmas, 9, 3552–355 (2002). https://doi.org/10.1063/1.1491252
T. Tajima, and J.M. Dawson, “Laser electron accelerator,” Phys. Rev. Lett. 43, 267-270 (1979). https://doi.org/10.1103/physrevlett.43.267
D. Umstadter, J.K. Kim, and E. Dodd, “Laser injection of ultrashort electron pulses into wake field plasma waves,” Phys. Rev. Lett. 76, 2073-2076 (1996). https://doi.org/10.1103/physrevlett.76.2073
M. Tabak, J. Hammer, M.E. Glinsky, W.L. Kruer, S.C. Wilks, J. Woodworth, E.M. Campbell, et al., “Ignition and high gain with ultrapowerful lasers,” Phys. Plasmas, 1, 1626-1634 (1994). https://doi.org/10.1063/1.870664
E.S. Dodd, and D. Umstadter, “Coherent control of stimulated Raman scattering using chirped laser pulses,” IEEE J. Quantum Electron. 8, 3531 (2001). https://doi.org/10.1063/1.1382820
R.K. Kirkwood, J.D. Moody, C. Niemann, E.A. Williams, A.B. Langdon, O.L. Landen, L. Divol, and L.S. Suter, “Observation of polarization dependent Raman scattering in a large-scale plasma illuminated with multiple laser beams,” Phys. Plasmas, 13, 082703 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2215415
T. Singh, and K. Walia, “Second Harmonic Generation of High Power Cosh-Gaussian Beam in Thermal Quantum Plasma: Effect of Relativistic and Ponderomotive Nonlinearity,” J. Contemp. Phys. 59, 244-253 (2024). https://doi.org/10.1134/s1068337224700488
K. Singh, and K. Walia, “Influence of Self-Focused Elliptical Laser Beam on Second Harmonic Generation in Cold Quantum Plasma,” J. Contemp. Phys. 59, 154-164 (2024). https://doi.org/10.1134/s1068337224700300
N. Kant, and A. Sharma, “Effect of pulse slippage on resonant second harmonic generation of a short pulse laser in a plasma,” J. Phys. D, 37, 998 (2004). https://doi.org/10.1088/0022-3727/37/7/007
P. Sprangle, E. Esarey, and A. Ting, “Nonlinear theory of intense laser-plasma interactions,” Phys. Rev. Lett. 64, 2011-2014 (1990). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.64.2011
M.R. Amin, C.E. Capjack, P. Frycz, W. Rozmus, and V.T. Tikhonchuk, “Two dimensional studies of stimulated Brillouin scattering, filamentation, and self-focusing instabilities of laser light in plasmas,” Phys. Fluids, 5, 3748–3764 (1993). https://doi.org/10.1063/1.860845
C.S. Liu, and V.K. Tripathi, “Thermal effects on coupled self-focusing and Raman scattering of a laser in a self-consistent plasma channel,” Phys. Plasmas, 2, 3111-3114 (1995). https://doi.org/10.1063/1.871143
D. Tripathi, T. Singh, A. Vijay, and K. Walia, “Second Harmonic Generation of q-Gaussian Laser Beam in Thermal Quantum Plasma,” J. Contemp. Phys. 60, 171 (2025). https://doi.org/10.1134/S1068337225700574
D. Tripathi, S. Kaur, A. Vijay, and K. Walia, “Nonlinear Dynamics of q-Gaussian Laser Beam in Collisional Plasma: Effect of Linear Absorption,” J. Contemp. Phys. 60, 16-23 (2025). https://doi.org/10.1134/S1068337225700409
T. Singh, and K. Walia, “Impact of High-Power Cosh-Gaussian Beam on Second Harmonic Generation in Collisionless Magnetoplasma,” J. Contemp. Phys. 59, 254-264 (2024). https://doi.org/10.1134/s106833722470049x
S.V. Bulanov, F. Pegoraro, and A.M. Pukhov, “Two-dimensional regimes of self-focusing, wake field generation, and induced focusing of a short intense laser pulse in an underdense plasma,” Phys. Rev. Lett. 74, 710-713 (1995). https://doi.org/10.1103/physrevlett.74.710
K. Walia, and A. Singh,“Effect of self-focusing on stimulated Raman scattering by a gaussian laser beam in collisional plasma: Moment theory approach,” J. Nonlinear Opt. Phys. Mater. 22, 1350030 (2013). https://doi.org/10.1142/s0218863513500306
K. Walia, “Self-focusing of high power beam in unmagnetized plasma and its effect on Stimulated Raman scattering process,” Optik, 225, 165592 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165592
K. Walia, “Enhanced Brillouin scattering of Gaussian laser beam in collisional plasma: moment theory approach,” J. Nonlinear Opt. Phys. Mater. 23, 1450011 (2014).
A. Singh, and K. Walia, “Stimulated Brillouin scattering of elliptical laser beam in collisionless plasma,” Opt. Laser Technol. 44, 781-787 (2012). https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2011.10.028
P. Sharma, and R.P. Sharma, “Suppression of stimulated Raman scattering due to localization of electron plasma wave in laser beam filaments,” Phys. Plasmas, 16, 032301 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3077670
P. Sharma, and R.P. Sharma, “Study of second harmonic generation by high power laser beam in magneto plasma,” Phys. Plasmas, 19, 122106 (2012). https://doi.org/10.1063/1.4759014
R.W. Short, and A. Simon, “Collisionless damping of localized plasma waves in laser-produced plasmas and application to stimulated Raman scattering in filaments,” Phys. Plasmas, 5, 4134-4143 (1998). https://doi.org/10.1063/1.873147
D.A. Russell, D.F. Dubois, and H.A. Rose, “Nonlinear saturation of stimulated Raman scattering in laser hot spots,” Phys. Plasmas, 6, 1294-1317 (1999). https://doi.org/10.1063/1.873371
J. Fuchs, C. Labaune, S. Depierreux, V.T. Tikhonchuk, and H.A. Baldis, “Stimulated Brillouin and Raman scattering from a randomized laser beam in large inhomogeneous collisional plasmas,” I. Experiment. Phys. Plasmas, 7, 4659-4648 (2000). https://doi.org/10.1063/1.1312183
K.C. Tzeng, “Suppression of electron ponderomotive blowout and relativistic self-focusing by the occurrence of Raman scattering and plasma heating,” Phys. Rev. Lett. 81, 104-107 (1998). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.81.104
P.K. Shukla, and B. Eliasson, “Novel attractive force between ions in quantum plasmas,” Phys. Rev. Lett. 108, 165007 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.165007
P.K. Shukla, and B. Eliasson, “New aspects of collective phenomena at nanoscales in quantum plasmas,” Phys. Usp. 53, 55 (2010). (in Russian)
P.K. Shukla, and B. Eliasson, “Colloquium: Nonlinear collective interactions in quantum plasmas with degenerate electron fluids,” Rev. Mod. Phys. 83, 885 (2011). https://doi.org/10.1103/revmodphys.83.885
P.K. Shukla, S. Ali, L. Stenflo, and M. Marklund, “Nonlinear wave interactions in quantum magnetoplasmas,” Phys. Plasmas, 13, 112111 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2390688
F. Haas, B. Eliasson, and P.K. Shukla, “Relativistic Klein-Gordon-Maxwell multistream model for quantum plasmas,” Phys. Rev. E, 85, 056411 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevE.85.056411
F.A. Asenjo, V. Munoz, J.A. Valdivia, and S.M. Mahajan, “A hydrodynamical model for relativistic spin quantum plasmas,” Phys. Plasmas, 18, 012107 (2011). https://doi.org/10.1063/1.3533448
M. Marklund, and P.K. Shukla, “Nonlinear collective effects in photon-photon and photon-plasma interactions,” Rev. Mod. Phys. 78, 591-640 (2006). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.78.591
S.H. Glenzer, and R. Redmer, “X-ray Thomson scattering in high energy density plasmas,” Rev. Mod. Phys. 81, 1625-1663 (2009). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.162
S.X. Hu, and C.H. Keitel, “Spin signatures in intense laser-ion interaction,” Phys. Rev. Lett. 83, 4709-4712 (1999). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.83.4709
P.K. Shukla, and L. Stenflo, “Stimulated scattering instabilities of electromagnetic waves in an ultracold quantum plasma,” Phys. Plasmas, 13, 044505 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2196248
S. Ali, and P.K. Shukla, “Potential distributions around a moving test charge in quantum plasmas,” Phys. Plasmas, 13, 102112 (2006). https://doi.org/10.1063/1.2352974
S.C. Na, and Y.D. Young, “Temperature effects on the nonstationary Karpman–Washimi ponderomotive magnetization in quantum plasmas,” Phys. Plasmas, 16, 074504 (2009). https://doi.org/10.1063/1.3176616
T. Tajima. “Laser acceleration in novel media,” Eur. Phys. J. Spec. Top. 223, 1037-1044 (2014). https://doi.org/10.1140/epjst/e2014-02154-6
D.S. Bondar, V.I. Maslov, I.P. Levchuk, and I.N. Onishchenko, “Excitation of wakefield by a laser pulse in a metallic-density electron plasma,” Probl. Atom. Sci. Tech. 118, 156 (2018).
V.I. Maslov, D.S. Bondar, and I.N. Onishchenko, “Investigation of the Way of Phase Synchronization of a Self Injected Bunch and an Accelerating Wakefield in Solid-State Plasma,” Photonics, 9, 174 (2022). https://doi.org/10.3390/photonics9030174
S.A. Akhmanov, A.P. Sukhorukov, and R.V. Khokhlov, “Self-focusing and diffraction of light in a nonlinear medium,” Sov. Phys. Uspekhi, 10, 609 (1968). (in Russian)
M.S. Sodha, A.K. Ghatak, and V.K. Tripathi, Progress in Optics, (North Holland: Amsterdam, 1976).
M.S. Sodha, A.K. Ghatak, and V.K. Tripathi, Self Focusing of Laser Beams in Dielectrics, Semiconductors and Plasmas, (Tata-McGraw-Hill, Delhi, 1974).
Авторське право (c) 2025 Кешав Валья, Таранджот Сінгх
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
