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Quantum radiation in ultra-intense laser pulses

Mackenroth, Kai Felix

German Title: Quantenstrahlung in ultra-intensiven Laserpulsen

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Abstract

The theoretical framework for describing the emission by free charged particles, scattered from highly intense laser fields, is extended to arbitrary temporal shapes of the scattering laser field. This work is motivated by the recent trend of laser technology, to achieve highest laser intensities by a tight temporal compression of the laser energy, down to only a few cycles of the carrying electromagnetic wave. Since modern laser fields are inaccessible to the perturbative treatment of usual QED, they are described as unquantized external fields and taken into account exactly. The emission of one or two photons are particularly studied. For both processes a powerful analytical approximation is formulated, valid in the experimentally relevant regime of high laser intensities and electron energies. This technique foreshadows possible applications, such as a viable way of determining the absolute phase of a highly intense few-cycle laser pulses, which was an unresolved problem so far. Furthermore it is demonstrated how the usually strongly suppressed signal from two photon emission can be reliably discriminated from the dominant single photon emission signal. Finally analytical solutions for two hitherto unresolved issues are presented: Describing the spatial focusing of a fewcycle laser pulse and solving the Dirac equation in the presence of a focused laser beam.

Translation of abstract (German)

Das theoretisch Rüstzeug zur Beschreibung der Strahlung freier Ladungsträger, welche an hochintensiven Laserpulsen gestreut werden, wird auf beliebige zeitliche Feldverläufe des streuenden Laserfelds verallgemeinert. Dieses Vorhaben begründet sich in der aktuellen Entwicklung der Lasertechnologie, höchste Intensitäten durch die zeitliche Kompression der Laserenergie auf wenige Schwingungen des elektromagnetischen Feldes zu erreichen. Da hochintensive Laserfelder einer perturbativen Behandlung, wie in der Quantenelektrodynamik üblich, nicht zugänglich sind, werden die Laser in dieser Arbeit als unquantisierte externe Felder beschrieben und exakt in die Rechnungen einbezogen. Im Besonderen wird die Emission von einem und von zwei Photonen durch einen Ladungsträger untersucht. In beiden Fällen wird eine hochpräzise analytische Näherungstechnik für das experimentell relevante Regime hoher Laserintensitäten und Elektronenenergien entwickelt. Die resultierenden Formeln weisen den Weg zu möglichen technischen Anwendungen wie zum Beispiel einer realistischen Methode zur, bisher unmöglichen, Bestimmung der absoluten Phase von hochintensiven Laserpulsen, welche nur wenige Schwingungen des elektromagnetischen Feldes enthalten. Außerdem zeigt sich eine Möglichkeit, das üblicherweise stark unterdrückte Signal der Zwei-Photonen-Emission von dem dominierenden Ein-Photonen-Signal zu trennen. Außerdem werden analytische Lösungen für zwei bisher ungelöste Probleme vorgeführt: Die Beschreibung einer starken zeitlich Komprimierung eines räumlich fokussierten Laserfeldes sowie das Konzept einer Lösung der Dirac-Gleichung in einem fokussierten Laserfeld.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Di Piazza, PD Dr. Antonino
Date of thesis defense: 5 December 2012
Date Deposited: 17 Dec 2012 09:11
Date: 12 December 2012
Faculties / Institutes: Service facilities > Max-Planck-Institute allgemein > MPI for Nuclear Physics
Subjects: 530 Physics
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