Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках проекта начато проведение исследований по методам оптимизации источников гамма-квантов основанных на нелинейном эффекте Комптона. Основная проблема нелинейного эффекта Комптона (рассеяние лазерных импульсов с безразмерной амплитудой a0 близкой или большей 1) – это так называемое пондеромоторное уширение спектра фотонов [1]. Дело в том, что лазерные импульсы, используемые в экспериментах обладают временной огибающей (например, гауссовой). Это значит, что световое давление, оказываемое на электрон, неравномерно – оно меньше по краям импульса и максимально в пике временной огибающей импульса. Для мощных лазерных импульсов, используемых в рамках данного проекта, световым давлением пренебречь нельзя. А так как оно неравномерно, то и энергия (или гамма-фактор) электрона в процессе взаимодействия меняется. Это приводит к паразитному размазыванию спектра фотонов, что уменьшает спектральную яркость источника. В литературе известно несколько способов борьбы с данной проблемой – использование (правильно) чирпированных лазерных импульсов или использование комбинации двух лазерных импульсов с заданными свойствами (чирп или поляризация) [1]. В рамках данного проекта была рассмотрена следующая задача. Есть один лазерный импульс с заданной энергией и заданным спектром. Изменяется только показатель линейного чирпа. Решается вопрос – при каком значении параметра чирпа будет наиболее яркий спектр комптоновского источника. Вопрос решается как с помощью расчетов, так и с помощью машинного обучения с помощью библиотеки optuna [2]. С точки зрения физики происходит «борьба» двух эффектов. При увеличении абсолютного значения параметра линейного чирпа лазерный импульс удлиняется, а его пиковая амплитуда падает. С одной стороны, это приводит к уменьшению разницы светового давления на краях и в центре импульса, что приводит к более тонкому спектру рассеянных фотонов. С другой стороны, при падении амплитуды полная вероятность рассеяния падает пропорционально квадрату амплитуды [1], а значит источник становится менее ярким. Нахождение оптимального значения параметра чирпа осуществляется с помощью численного моделирования, аналитических расчетов, а также методов машинного обучения. Отметим, что для линейного чирпа, получается применить аналитические методы, которые довольно точно предсказывают результат. Но машинное обучение, а именно нахождение оптимума в многопараметрическом пространстве, поможет в тех случаях, когда чирп нелинейный [2]. По результатам работы была опубликована статья в журнале из серии Nature Index (Q1) [2]. Результаты были представлены в виде устного доклада на международной конференции ICUIL2022 (https://indico.ibs.re.kr/event/491/attachments/3186/3812/ICUIL_program_final.pdf). Используемый для расчетов код выложен в открытый доступ (https://github.com/maxbalrog/Compton_scattering_classic) Список литературы: [1] V.G. Nedorezov, S.G. Rykovanov, A.B. Savel’ev, “Nuclear photonics: results and prospects”, Phys.-Usp. 64 1214 (2021) DOI: 10.3367/UFNe.2021.03.038960 [2] M.A. Valialshchikov, D. Seipt, V. Yu. Kharin, S.G. Rykovanov, “Towards high photon density for Compton scattering by spectral chirp”, Phys. Rev. A 106, L031501 (2022) DOI: 10.1103/PhysRevA.106.L031501

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1) Опубликована статья о влиянии фазы несущей лазерного импульса на характеристики генерации аттосекундного импульса при отражении от тонкой пленки. В случае ступенчатого профиля плотности плазмы можно найти нужную фазу несущей волны для генерации одного пика аттосекундного отраженного импульса: для этого больше подходят «синусоидальные» перпендикулярно падающие импульсы чем «косинусные». Однако при уменьшении плотности или увеличении ширины предплазмы подобрать подходящую фазу импульса становится менее тривиально. Причиной такого поведения во всех режимах интенсивности является фазовый сдвиг между падающим лазерным импульсом и электромагнитным полем, управляющим движением поверхностных электронов. Данный фазовый сдвиг можно найти с помощью численных расчетов или из аналитических соображений. С его помощью можно подобрать фазу падающего импульса для получения желаемых характеристик отраженного импульса и в случае малой плотности плазмы, и в при увеличении ширины предплазмы. 2) Более детально изучен механизм генерации гармоник с орбитальным угловым моментом при взаимодействии Лагерр-Гауссовых мощных лазерных пучков с твердотельной мишенью. Исследованы композиции нескольких лазерных импульсов с разными параметрами (номер моды Лагерр-Гауссовского пучка, цвет, фаза, поляризация) на структуру генерируемых гармоник и аттосекундных импульсов. Текущие результаты можно зафиксировать по адресу: https://github.com/Rishat-Zagidullin/wave_propagation. 3) Модифицирован код, реализующий самосогласованную модель взаимодействия мощного короткого лазерного импульса (или совокупности импульсов) с тонкой пленкой. Текущие результаты можно зафиксировать по адресу: https://github.com/Rishat-Zagidullin/Thin-foil-magnetic-field. 4) Проведено исследование возможности генерации аттосекундных импульсов с спиновым угловым моментом (поляризация) при взаимодействии мощных коротких линейно поляризованных импульсов с замагниченной пленкой. Проведено сравнение простой самосогласованной модели с расчетами методом частиц-в-ячейке. Результаты показали, что как модифицированная самосогласованная модель, так и расчеты, проведенные методом частиц в ячейке дают схожие результаты. При правильном подборе параметров можно сгенерировать отраженный аттосекундный импульс с высокой эллиптичностью. Численные эксперименты методом частиц в ячейке проводились в одномерном, двумерном и трехмерном случаях. 5) Начаты работы по моделированию взаимодействия лазерного импульса (например, с разными цветами, разной поляризацией итд) с твердотельной мишенью с применением методов машинного обучения для нахождения оптимальных для ярких аттосекундных импульсов в условиях упрощенной постановки задачи (одноцветного лазерного импульса). Целью данного исследования является разработка эффективного метода оценки эллиптичности отраженного лазерного импульса в зависимости от параметров эксперимента с тонкой пленкой. Импульс летит к мишени перпендикулярно. При этом мы варьируем компоненты лазерного импульса при сохранении его энергии. В такой формулировке можно показать, что нейросетевые модели могут эффективно аппроксимировать зависимость эллиптичности отражённого лазерного импульса от величин амплитуд напряженности электрического поля и предлагаем использование таких обученных нейросетевых моделей вместо «точного» решения для быстрого перебора различных комбинаций входных параметров и оптимизации эллиптичности выходных фотонов. Текущие результаты показывают, что предложенный метод позволяет достичь сопоставимой точности с традиционным методом частиц в ячейках при существенно меньшей вычислительной сложности.