Кинетика электронов в лазерной плазме

Кинетика электронов в лазерной плазме представляет собой сложный процесс, включающий взаимодействие высокоинтенсивного электромагнитного поля с плазмой, коллективные эффекты и многопараметрические нелинейные процессы. В отличие от классической плазмы, где движение электронов определяется главным образом коллизиями и макроскопическими полями, в фемтосекундной лазерной плазме преобладают динамика, задаваемая быстрыми изменениями электромагнитного поля и квантово-коллективными эффектами.

Уравнение Власова и его модификации

Для описания распределения электронов в фазовом пространстве используется кинетическое уравнение Власова:

$$ \frac{\partial f(\mathbf{r}, \mathbf{v}, t)}{\partial t} + \mathbf{v} \cdot \nabla_{\mathbf{r}} f + \frac{e}{m_e} (\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B}) \cdot \nabla_{\mathbf{v}} f = \left(\frac{\partial f}{\partial t}\right)_{\text{колл}}, $$

где f(r, v, t) — функция распределения электронов, E и B — локальные электрическое и магнитное поля, а $\left(\frac{\partial f}{\partial t}\right)_{\text{колл}}$ учитывает коллизии и взаимодействия с ионами.

В условиях фемтосекундных лазеров часто возникает необходимость учета неклассических эффектов:

  • Нелокальные эффекты: длина свободного пробега электронов может превышать масштаб локальной неоднородности плазмы.
  • Квантовые поправки: при плотностях, близких к критической, электронная кинетика подчиняется принципам квантовой статистики Ферми.

Ионизационные процессы и формирование электронного хвоста

При интенсивных лазерных импульсах I ≳ 1016 − 1018 Вт/см2 основными механизмами формирования электронной кинетики становятся:

  1. Многофотонная и туннельная ионизация

    • Многофотонная ионизация проявляется при меньших интенсивностях и коротких длинах волн, где поглощение нескольких фотонов приводит к выбиванию электрона.
    • Туннельная ионизация преобладает при сильных полях и низкой частоте, когда потенциал атома существенно искажается внешним полем.

  2. Релаксация и нагрев электронов

    • После ионизации электроны образуют горячее электронное распределение, которое может быть близко к Максвелловскому или, при сильной анизотропии, к двухтемпературному распределению.

Коллективные эффекты и взаимодействие с лазерным полем

В динамике электронов критическую роль играют коллективные явления:

  • Плазменные волны: возбуждаются лазерным полем через механизмы резонансного возбуждения или резонансного поглощения на границе плазмы. Волны могут усиливать кинетическое распределение электронов за счет ускорения в направлении фронта волны.
  • Самофокусировка лазерного импульса: приводит к локальному увеличению интенсивности поля, что усиливает неравномерный нагрев электронов и порождает «горячие» хвосты распределения.
  • Нелинейная электронная кинетика: включает сильное столкновение с ионами при высокой плотности, корреляционные эффекты, а также возбуждение высокочастотных плазменных колебаний, которые сами изменяют траектории электронов.

Теплоперенос и анизотропия

Фемтосекундные лазерные импульсы создают неравновесное электронное распределение, которое характеризуется:

  • Быстрым нагревом вдоль направления лазерного поля.
  • Замедленной теплопроводностью в перпендикулярных направлениях.
  • Возникновением анизотропных температурных профилей, что важно при моделировании лазерной абляции и интенсивных плазменных потоков.

Для количественного описания используют уравнение теплопереноса с нелокальным теплоносителем:

$$ \frac{\partial T_e}{\partial t} = \nabla \cdot \left(\kappa_{\text{нелок}} \nabla T_e \right) + Q_{\text{лазер}}, $$

где κнелок — нелокальная теплопроводность, а Qлазер — источник энергии, задаваемый лазерным импульсом.

Эмиссия и высокоэнергетические электроны

Интенсивные фемтосекундные лазеры могут порождать быстрые электроны с энергиями десятки–сотни кэВ. Основные механизмы:

  • Лазерное ускорение через градиенты поля: электроны ускоряются на границах плазмы, где поле сильнее.
  • Струи быстрых электронов (hot electron beams): формируются в процессе обратного рассеяния и резонансного ускорения.

Эти электроны могут инициировать ядерные реакции, порождать рентгеновское излучение и служить источником для высокочастотных плазменных волн.

Численное моделирование кинетики

Для исследования кинетики электронов применяются:

  • Методы частиц в ячейке (PIC): моделируют взаимодействие лазера и плазмы с высоким разрешением по времени и пространству.
  • Решение уравнения Власова с коллизионными поправками: позволяет проследить эволюцию функции распределения.
  • Квазиклассические подходы: учитывают туннельную и многофотонную ионизацию в динамике плотности электронов.

Особое внимание уделяется временным шкалам: в фемтосекундных импульсах электронная динамика развивается быстрее ионной, поэтому часто используется разделение по временным масштабам, что упрощает численное моделирование.

Ключевые особенности кинетики электронов в фемтоплазме

  • Преобладание неравновесных распределений над Максвелловскими.
  • Анизотропность температурного поля и быстрый локальный нагрев.
  • Интенсивная коллективная динамика, включая плазменные волны и самоорганизацию потоков электронов.
  • Возможность формирования горячих хвостов распределений, ведущих к генерации высокоэнергетического излучения.

Эта область исследования является ключевой для понимания процессов лазерной абляции, генерации рентгеновского излучения, ускорения частиц и управления плазмой на фемтосекундных временных масштабах.

Оглавление