Orientador: Paulo Hiroshi Sakanaka

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Fisica Gleb Wataghin

Resumo: Este trabalho foi inteiramente dedicado ao estudo das interações e processos multifotônicos em plasmas produzidos por campos de laser superintensos. As deficiências e limitações encontradas nos modelos de partícula simples (Seely e Harris) e de seção de choque (Torres e Sakanaka) foram...

Resumo: Este trabalho foi inteiramente dedicado ao estudo das interações e processos multifotônicos em plasmas produzidos por campos de laser superintensos. As deficiências e limitações encontradas nos modelos de partícula simples (Seely e Harris) e de seção de choque (Torres e Sakanaka) foram contornadas e superadas com o formalismo do Centro de Massa (C.M.) desenvolvido nesta tese. As equações quânticas de transporte obtidas, no limite não relativístico, consideram em forma autoconsistente as interações elétron-elétron através da função de perda de energia Im{-1/û(q,w0)}. Os efeitos devidos às flutuações de densidade e à velocidade de arrasto dos elétrons também podem ser estudados com esta teoria. Em particular, as equações obtidas para o processo bremsstrahlung inverso (B.I.) ressonante ou não colisional permitem fazer algumas importantes correções nas teorias já existentes conseguindo assim um maior entendimento deste processo. No caso de plasmas excitados por um ou dois lasers (potencial de Coulomb ou modos íon-acústicos) , contrariamente ao estabelecido teoricamente por alguns autores, as taxas de absorção obtidas neste trabalho são pequenas comparadas com as taxas colisionais. Isto concorda com inúmeros experimentos com aceleradores de plasma. A revisão do problema de um feixe de elétrons espalhados por um potencial iônico estático conduz a uma reinterpretação do coeficiente de absorção na região ressonante, o qual sempre é positivo. Os picos secundários detetados numericamente confirmam, em parte, a natureza quântica do processo. Também a parte ressonante ou coletiva de outros processos multifotônicos , tais como, a potência de freamento e a taxa de perda de energia, foi calculada numericamente e os resultados obtidos servem de complementação aos obtidos recentemente por outros autores na aproximação de partícula simples. Os efeitos relativísticos são levados em conta no modelo C.M., considerando como ponto de partida a equação de Dirac e a transformação unitária espacial generalizada de Kramers-Henneberger, onde os estados quase livres do elétron são vestidos ("dressed") pelo laser. O referido modelo permite pôr em evidência a transferência multifotônica de momentum do laser para o plasma, tal como se observa das equações de força B.I. Nas equações de taxa de absorção B.I., o spin do elétron surge como um fator essencial na transferência de energia. Porém, as estimativas numéricas dessas equações diferem notavelmente daquelas indicadas na recente literatura. Isto reflete um fato concreto: as pesquisas nesta área, no" limite plenamente relativístico, estão apenas na sua fase inicial e os resultados obtidos até agora não são definitivos ou conclusivos

Abstract: This thesis is fully dedicated to the study of multiphoton interactions and processes in a plasma produced by an intense laser field. The deficiencies and limitations found on the single particle model (Seely and Harris) and the cross-section model (Torres and Sakanaka) were overcome with...

Abstract: This thesis is fully dedicated to the study of multiphoton interactions and processes in a plasma produced by an intense laser field. The deficiencies and limitations found on the single particle model (Seely and Harris) and the cross-section model (Torres and Sakanaka) were overcome with the Center of Mass approach developed in this work. The quantum transport equations obtained by us consider the electron-electron interaction through the energy loss function Im{-1/û(q,nw0)} in a consistent way. The effects due to the density fluctuations and drift electron velocity can be studied directly from this theory. Particularly, for the collisionless inverse Bremsstrahlung process, the respective equations allow us to make some important corrections on the existing theories; thus, we can obtain an additional insight of this process. In the case of plasma (with Coulomb potential or ion-acoustic modes) excited by one or two lasers, contrary to the claim of some authors, the absorption rates obtained in this work are small if compared with the collisional rates. It agrees with several plasma accelerator experiments. A revision of electron beam experiments, scattered by a static ion potential, leads to a reinterpretation of the absorption coefficient in resonant region which is always positive. Here the secondary peaks numerically detected confirm the quantum nature of the process. Also, resonant or collective contribution of other multiphoton process, such as stopping power and energy loss rate, were numerically calculated and are complementary to the recent results obtained by other authors, for the case of single particle contribution. Relativistic effects are taken into account on the C.M approach, on the basis of Dirac equation and a generalization of Kramers-Henneberger spatial unitary transformation, where quasi-free electron states are dressed by the laser field. The I.B. force equation shows clearly multiphoton transfer of momentum and the spin of electrons emerges as a essential factor for the transfer of energy. However numerical evaluation of these equations does not agree with recent theoretical results found in existing literature. This indicates that the study on relativistic multiphoton process is still in its early stage of development