Динаміка самофокусування Кош-Гаусівських лазерних променів в абсорбційній холодній квантовій плазмі під дією релятивістських та пондеромоторних нелінійностей
Анотація
У цьому дослідженні розглядається поведінка самофокусування лазерних променів Коша-Гаусса в абсорбційній холодній квантовій плазмі, враховуючи об'єднаний вплив релятивістської зміни маси та пондеромоторних ефектів. Застосовуючи наближення ВКБ у поєднанні з параксіальною теорією, отримано рівняння поширення 2-го порядку, що описує зміну ширини променя як функцію нормалізованої відстані, враховуючи вплив лінійного поглинання. Чисельне рішення результуючого диференціального рівняння отримано методом Рунге-Кутти 4-го порядку. Далі проведено комплексне параметричне дослідження для оцінки впливу параметрів лазерної плазми, таких як інтенсивність променя, густина плазми, початковий радіус променя, параметр децентрування та коефіцієнт поглинання, на динаміку променя. Результати показують, що релятивістська та пондеромоторна нелінійності посилюють самофокусування, тоді як поглинання зменшує його. Порівняння з класичною релятивістською плазмою підкреслює ключову роль квантових ефектів у поширенні лазера через щільну плазму.
Завантаження
Посилання
G.A. Askaryan, “Effects of the Gradient of a Strong Electromagnetic Beam on Electrons and Atoms,” JETP, 15, 1088 (1962).
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 (2025). https://doi.org/10.1134/s1068337225700409
K. Walia, N. Mehra, and S. Pandit, “Propagation Characteristics of q-Gaussian Laser Beam in Cold Collisionless Plasma,” J. Contemp. Phys. 59, 378(2024). https://doi.org/10.1134/s1068337225700203
P.B. Corkum, C. Rolland, and T. Rao, “Supercontinuum Generation in Gases,” Phys. Rev. Lett. 57, 2268 (1986). https://doi.org/10.1103/physrevlett.57.2268
P. Sprangle, E. Esarey, and J. Krall, “Laser driven electron acceleration in vacuum, gases, and plasmas,” Phys. Plasmas, 3, 2183 (1996). https://doi.org/10.1063/1.871673
S.C. Wilks, J.M. Dawson, W.B. Mori, T. Katsouleas, and M.E. Jones, “Photon accelerator,” Phys. Rev. Lett. 62, 2600 (1989). https://doi.org/10.1103/physrevlett.62.2600
K.A. Brueckner, and S. Jorna, “Laser-driven fusion”, Rev. Mod. Phys. 46, 325(1974). https://doi.org/10.1103/revmodphys.46.325
J. Faure, Y. Glinec, A. Pukhov, S. Kiselev, S. Gordienko, E. Lefebvre, J.P. Rousseau, et al., “A laser-plasma accelerator producing monoenergetic electron beams,” Nature, 431, 541 (2004). https://doi.org/10.1038/nature02963
P.E. Young, H.A. Baldis, R.P. Drake, E.M. Campbell, and K.G. Estabrook, “Direct Evidence of Ponderomotive Filamentation in a Laser-Produced Plasma,” Phys. Rev. Lett. 61, 2336 (1988). https://doi.org/10.1103/physrevlett.61.2336
H. Hora, “Self-focusing of laser beams in a plasma by ponderomotive forces,” Z. Phys. 226, 156(1969).
M.R. Siegrist, “Self-focusing in a plasma due to ponderomotive forces and relativistic effects,” Opt. Commun. 16, 402 (1976).
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, “Stimulated Brillouin Scattering of high power beam in unmagnetized plasma: Effect of relativistic and ponderomotive nonlinearities,” Optik, 221, 165365 (2020). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.165365
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, “Self-focusing of q-Gaussian beam in unmagnetized plasma and its impact on second harmonic generation,” Optik, 277, 170681 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2023.170681
K. Walia, “Nonlinear Dynamics of Intense Laser Beam in Unmagnetized Plasma and its Influence on Second Harmonic Generation,” J. Fusion Energ. 41, 21 (2022). https://doi.org/10.1007/s10894-022-00335-7
H. Hora, “Theory of Relativistic Self-Focusing of Laser Radiation in Plasmas,” J. Opt. Soc. Am. 65, 882 (1975). https://doi.org/10.1364/josa.65.000882
A.G. Litvak, “Self-focusing of Powerful Light Beams by Thermal Effects”, JETP Lett. 4, 230 (1966).
W.B. Mori, C. Joshi, J. Dawson, D. Forslund, and J. Kindel, “Evolution of self-focusing of intense electromagnetic waves in plasma,” Phys. Rev. Lett. 60, 1298(1988). https://doi.org/10.1103/physrevlett.60.1298
T. Singh, and K. Walia, “Impact of High-Power Cosh-Gaussian Beam on Second Harmonic Generation in Collisionless Magnetoplasma,” J. Contemp. Phys. 59, 254 (2024). https://doi.org/10.1134/s106833722470049x
K. 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 (2024). https://doi.org/10.1134/s1068337224700488
K. Singh, K. Walia, “Influence of Self-Focused Elliptical Laser Beam on Second Harmonic Generation in Cold Quantum Plasma,” J. Contemp. Phys. 59, 154 (2024). https://doi.org/10.1134/s1068337224700300
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
K. Walia, “Enhanced Brillouin scattering of Gaussian laser beam in collisional plasma: Moment theory approach,” J. Nonlinear Opt. Phys. Mater. 23, 1450011 (2014). https://doi.org/10.1142/s0218863514500118
R.Y. Chiao, E. Garmire, and C.H. Townes, “Self-trapping of optical beams,” Phys. Rev. Lett. 13, 479 (1964). https://doi.org/10.1103/physrevlett.13.479
P.L. Kelley, “Self-focusing of optical beams,” Phys. Rev. Lett. 15, 1005 (1965). https://doi.org/10.1103/physrevlett.15.1005
H.M. Milchberg, C.G. Durfee III, and T.J. Mcllrath, “High-order frequency conversion in the plasma waveguide,” Phys. Rev. Lett. 75, 2494 (1995). https://doi.org/10.1103/physrevlett.75.2494
N.S. Rathore, and P. Kumar, “Ponderomotive self-focusing of linearly polarized laser beam in magnetized quantum plasma,” Laser Part Beams, 34, 764 (2016). https://doi.org/10.1017/s0263034616000689
S.D. Patil, M.V. Takale, S.T. Navare, M.B. Dongare, and V.J. Fulari, “Self-focusing of Gaussian laser beam in relativistic cold quantum plasma,” Optik, 124, 180 (2013). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2011.11.061
P.K. Shukla, and B. Eliasson, “Nonlinear aspects of quantum plasma physics,” Phys. Usp. 53, 55 (2010).
P.K. Shukla, and B. Eliasson, “Nonlinear collective interactions in quantum plasmas with degenerate electron fluids,” Rev. Mod. Phys. 83, 885 (2011).
L. Bergamin, P. Alitalo, and S. Tretyakov, “Nonlinear transformation of optics and Engineering of Kerr effect,” Phys. Rev. B, 84, 205103 (2011). https://doi.org/10.1103/physrevb.84.205103
S.X. Hu, and C.H. Keitel, “Spin signatures in intense laser-ion interaction,” Phys. Rev. Lett. 83, 4709 (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
G. Manfredi, “How to Model Quantum Plasmas,” Fields Inst. Commun. 46, 263 (2005). https://doi.org/10.1090/fic/046/10
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
G. Shpatakovskaya, “Semiclassical model of a one-dimensional quantum dot,” J. Exp. Theor. Phys. Lett. 102, 466 (2006). https://doi.org/10.1134/s1063776106030095
A.K. Harding, and D. Lai, “Physics of strongly magnetized neutron stars,” Rep. Prog. Phys. 69, 2631 (2006). https://doi.org/10.1088/0034-4885/69/9/r03
A.V. Andreev, “Self-consistent equations for the interaction of an atom with an electromagnetic field of arbitrary intensity,”, J. Exp. Theor. Phys. Lett. 72, 238 (2000).
S.H. Glenzer, and R. Redmer, “X-ray Thomson scattering in high energy density plasmas,” Rev. Mod. Phys. 81, 1625(2009). https://doi.org/10.1103/revmodphys.81.1625
S.A. Akhmanov, A.P. Sukhorokov, and R.V. Kokhlov, “Self-focusing and diffraction of light in nonlinear medium,” Sov. Phys. Uspekhi, 10, 609 (1968).
M.S. Sodha, A.K. Ghatak, and V.K. Tripathi, “Self focusing of laser beams in plasmas and semiconductors,” Progress in Optics, 13, 169 (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).
Y. Jung, and I. Murakami, “Quantum effects on magnetization due to ponderomotive force in cold quantum plasmas,” Phys. Lett. A, 373, 969 (2009). https://doi.org/10.1016/j.physleta.2009.01.024
Авторське право (c) 2026 Діпак Тріпаті, Ніша Сінгх Ратхор, Вініт Каккар, Кешав Валья
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).
