• acceleration
• electron
• ionization
• laser
• plasma
• ponderomotive self-channeling
• propagation
• refractive guiding
• relativistic self-focusing
• Thomson scattering
• upshift

La mia tesi di Laurea è il risultato di un anno di lavoro presso l'Intense Laser Irradiation Laboratory (ILIL) dell’INO-CNR di Pisa, sotto la supervisione del Dott. Antonio Giulietti. Sono stato coinvolto in una campagna sperimentale, iniziata nel 2008, avente per oggetto l'accelerazione di pacchetti di elettroni relativistici mediante interazione laser-plasma secondo la tecnica "Laser Wake Field Acceleration” (LWFA).

Il primo capitolo della tesi è dedicato ad una trattazione di carattere generale di questa tecnica. Essa consiste nel far propagare un impulso laser intenso e ultracorto (decine di femtosecondi) in un plasma nettamente "sottodenso", ovvero la cui densità elettronica corrisponde ad una frequenza di plasma molto inferiore alla frequenza della radiazione laser. Ai gradienti longitudinali di intensità associati al profilo longitudinale dell'impulso è associata una forza ponderomotrice che espelle gli elettroni dalle zone di più alta intensità. Sotto opportune condizioni ciò dà luogo ad un'oscillazione di carattere elettrostatico conosciuta come onda di plasma. Essa si propaga con una velocità di fase uguale alla velocità di gruppo dell'impulso laser, ed è associata ad un campo elettrico longitudinale che può accelerare particelle che si muovano con un'opportuna relazione di fase all'interno dell'onda a velocità relativistiche. Questa tecnica di accelerazione suscita grande interesse per via degli enormi campi acceleranti (102 GV/m, 3 ordini di grandezza in più di quelli sostenibili in una cavità a radiofrequenza) . Tali campi consentono di accelerare gli elettroni ad energie ultrarelativistiche su lunghezze di accelerazione di alcuni millimetri, permettendo di ridurre notevolmente le dimensioni e i costi dell'acceleratore. Vengono descritti i più diffusi tipi di bersaglio per l’impulso laser focalizzato (tra cui il getto supersonico di gas), i metodi di creazione del plasma e le tecniche di iniezione del pacchetto di elettroni nell'onda di plasma. Vengono mostrate le relazioni tra i principali parametri che caratterizzano l'interazione, vengono calcolate utili approssimazioni per il massimo campo accelerante, la lunghezza efficace di accelerazione e il massimo guadagno energetico.

Nel secondo capitolo vengono descritti gli effetti legati alle componenti non lineari dell'indice di rifrazione del plasma sulla propagazione dell'impulso. La descrizione sfrutta il cosiddetto metodo "Source-Dependent Expansion" (SDE), che consiste nell'espandere il campo laser in un set completo ortogonale di funzioni di Laguerre-Gauss che dipendono dalla distanza di propagazione attraverso i parametri caratteristici dell'impulso, per risolvere l'equazione d'onda in approssimazione parassiale. Il punto di arrivo di questa trattazione è la cosiddetta "envelope equation", che permette di descrivere, con opportune approssimazioni, l'evoluzione della "macchia focale" durante la propagazione in presenza dei principali effetti non lineari: l'autofocalizzazione relativistica, il "self-channeling" ponderomotivo e la defocalizzazione indotta dalla ionizzazione. Si discute l'importanza di questi effetti sulla propagazione dell'impulso. Viene inoltre esaminata la possibilità che tali effetti non lineari diano luogo a instabilità nella propagazione dell’impulso laser ("automodulazioni") ed a importanti cambiamenti del suo spettro.

Nel terzo capitolo vengono descritti il "setup" sperimentale e le principali strumentazioni di misura (“diagnostiche”) impiegate nella campagna sperimentale sull'accelerazione di elettroni in get supersonici di elio e azoto. Vengono presentati e discussi i principali risultati. L'obiettivo principale raggiunto da questa campagna sperimentale è stato quello di dimostrare la possibilità di accelerare, in modo riproducibile, pacchetti di elettroni "multi-MeV" facendo uso di un sistema laser "table-top" di potenza moderata (2TW). Il caso di riferimento per il nostro studio è stato l'accelerazione in azoto. Le principali diagnostiche coinvolte nell'esperimento sono discusse nella presente tesi sia sotto l'aspetto teorico che sperimentale. Esse sono basate su: un interferometro in configurazione "Nomarski", per studiare la formazione e l'evoluzione del plasma e "mappare" i profili di densità elettronica; uno schermo al fosforo (LANEX); uno spettrometro elettronico a campo magnetico e alcuni scintillatori. Infine, si confrontano i risultati sperimentali con i risultati di una simulazione numerica.

Il quarto capitolo ha per oggetto la diagnostica basata sulla diffusione di tipo Thomson della luce laser da parte degli elettroni liberi presenti nel plasma ("Thomson Scattering"). Se ne discutono i principi fisici, il campo di utilizzazione ed i risultati ottenuti nell’esperimento. Si mostra che nel nostro esperimento ci troviamo sostanzialmente nel regime lineare di diffusione che mantiene frequenza e polarizzazione della luce incidente. Si mostra come tale diagnostica, affiancata alle altre, svolga un ruolo fondamentale nel monitorare la regione di interazione. Nel nostro esperimento è stata raccolta la luce diffusa a 90° per ottenere sia immagini della regione d’interazione che spettri della luce stessa. Il confronto tra i profili longitudinali di intensità della radiazione diffusa ottenuti sperimentalmente con profili calcolati numericamente nelle condizioni di interazione di interesse permette di rintracciare la presenza di effetti di propagazione non lineare, trovando così conferma sperimentale ai risultati delle simulazioni. Inoltre, grazie al Thomson Scattering, sono stati osservati per la prima volta grandi e progressivi "upshift" della frequenza dell'impulso, che è stato possibile stimare in circa 300 nm utilizzando un algoritmo empirico, proposto e testato per la prima volta nella tesi, per dare una stima del valore della lunghezza d'onda della radiazione incidente su un sensore CCD dal valore dei livelli RGB dell'immagine. Tale effetto di "upshift" è spiegato come conseguenza di un'automodulazione di fase dell'impulso indotta dall'interazione con il fronte di ionizzazione.