Harte Röntgenstrahlung aus relativistischen Laserplasmen und ...

3.1. Plasmaerzeugung und Beschleunigung relativistischer Elektronen 25
Feldstärkevektors, d.h. transversal zur Ausbreitungsrichtung des Lichts zu schwin-
gen. Mit zunehmender Intensität wird die Geschwindigkeit, welche das Elektron
innerhalb einer halben Lichtperiode aufnehmen kann, immer größer. Sie erreicht re-
lativistische Werte für Intensitäten von etwa 10 18 W/cm 2 bei λ = 800 nm. Dann ist
der �v × � B Term der Lorentzkraft nicht mehr vernachlässigbar. Er bewirkt, wie man
sich leicht über das Vektorprodukt klarmachen kann, eine Kraft in Ausbreitungs-
richtung der Lichtwelle [15]. Den Übergang von der klassischen zur relativistischen
Beschleunigung beschreibt der relativistische Parameter a0, der das Verhältnis der
Oszillationsgeschwindigkeit der Elektronen v im Laserfeld und der Lichtgeschwin-
digkeit ist:
a0 = v p eE
= =
c m0c m0ωc
Für a0 > 1 wird die Bewegung relativistisch.
�
e 2I
=
m0ωc ε0c
. (3.5)
Ein Elektron, welches sich vor dem Eintreffen des Laserpulses auf der optischen
Achse befinden möge, wird durch die Lorentzkraft transversal und longitudinal in
Richtung niedrigerer Intensität beschleunigt. Bei der Rückbeschleunigung in der
nächsten Halbwelle wirkt dort aber eine geringere Kraft, die das Elektron nicht
auf seine Ausgangsposition zurückbringen kann. Schließlich wird das Elektron nicht
mehr vom Laserfeld erfaßt und verläßt den Fokusbereich mit einer Restenergie. Der
Energiegewinn des aus dem Laserfeld getriebenen Elektrons ist durch das pondero-
motorische Potential UP
UP = m0c 2 a2 0
2
�
�
�
≈ 1 MeV · � Iλ2 1019 W/cm2 µm2 (3.6)
gegeben [16]. Die ponderomotorische Kraft wirkt in Richtung des Intensitätsgradi-
enten und drängt Elektronen aus dem Bereich hoher Intensität heraus. Diese rein
durch das Laserfeld hervorgerufene ponderomotorische Beschleunigung tritt auch
auf, wenn eine Lichtwelle, bzw. ein Puls abrupt abbricht, wie beispielsweise durch
Absorption. Wird der Laserpuls im Plasma nahe der kritischen Dichte absorbiert
oder an dieser Grenze reflektiert, dann wirkt auf die Elektronen keine Kraft durch
das Laserfeld mehr, und sie behalten ihre momentane Geschwindigkeit und Rich-
tung bei. Es gibt mehrere Mechanismen dieser Art, die je nach Laser- und Plas-
maparametern dominieren. Ein intensiver Laserpuls, der unter 45 ◦ und mit in der
Einfallsebene polarisiertem Licht auf einen Festkörper bzw. ein Plasma mit großem
Dichtegradienten trifft, wird im Bereich der kritischen Dichte absorbiert. Durch die
Polarisation des Lichts führen die Elektronen im Laserfeld Oszillationsbewegungen
in der Einfallsebene aus. Ihre Geschwindigkeiten besitzen also eine Komponente, die
in das Target hinein weist. Wird der Laserpuls im Plasma evaneszent, spüren die
Elektronen sein Feld nicht mehr und bewegen sich mit einem Nettoenergiegewinn