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Bethe-Heitler Pair Creation in a Bichromatic Laser Field

Augustin, Sven

German Title: Bethe-Heitler Paarerzeugung in einem zweifarbigen Laserfeld

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Abstract

Within this thesis, the non-linear creation of electron-positron pairs in the superposition of a nuclear Coulomb field and a two-colour laser field of high intensity is studied. Primarily, two complementary scenarios are investigated:

On the one hand, if the two laser frequencies are commensurable, quantum interference may occur. This interference manifests in the total pair-creation rate and the angular distribution of the created particles, which are studied in the nuclear rest frame and the laboratory frame. Furthermore, the relative phase between the two laser modes allows to tune the strength of the terms arising from interference. Therefore, this parameter may be used to optimize the pair-creation yield.

On the other hand, for incommensurable frequencies, a set-up of largely differing frequencies is considered. This way, a strong laser field in the non-perturbative regime assisted by a single highly-energetic $\gamma$-photon is described. Due to the assistance of the latter, a strong enhancement of the total pair-creation rate can be found depending on the laser intensity. Additionally, the influence of the $\gamma$-photon on the angular and energetic distribution of the created particles is investigated, again in the nuclear rest frame and the laboratory frame.

Furthermore, the differences arising in the two former cases are directly compared by means of a continuous variation of the laser frequency ratio. This illustrates the strong modifications due to the interference in the commensurable case. Finally, for the special case of two modes with identical frequency, the total pair-creation rate is studied as a function of the ellipticity of the combined laser field. Here, the cases of a constant total field intensity and a constant maximum field intensity are compared.

Translation of abstract (German)

Gegenstand dieser Arbeit ist die nichtlineare Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren im Coulomb-Feld eines Kerns durch ein zweifarbiges Laserfeld hoher Intensität. Der Schwerpunkt liegt dabei auf zwei komplementären Szenarien:

Zum einen können für kommensurable Kombinationen der zwei Laserfelder Quanteninterferenzeffekte auftreten. Diese werden anhand totaler Paarerzeugungsraten und Emissionswinkelspektren im Ruhesystem des Kerns und im Laborsystem untersucht. Darüber hinaus zeigt sich, dass die relative Phase zwischen den zwei Lasermoden Kontrolle über die Stärke der Interferenzen gewährt. Entsprechend kann dieser Parameter dazu verwandt werden, die Ausbeute erzeugter Paare zu optimieren.

Zum anderen wird für inkommensurable Frequenzen ein Aufbau betrachtet, in dem diese stark voneinander abweichen. Dies beschreibt ein starkes Laserfeld im nicht-störungstheoretischen Regime, welchem von einem einzelnen hochenergetischen $\gamma$-Photon bei der Paarerzeugung assistiert wird. Dies führt zu einer starken Erhöhung der Paarerzeugungsrate für bestimmte Laserintensitätsbereiche. Außerdem zeigt sich der Einfluss des $\gamma$-Photons in Emissionswinkel- und Energiespektren, welche wiederum im Ruhesystem des Kerns und im Laborsystem untersucht werden.

Die Unterschiede zwischen diesen beiden Szenarien werden weiterhin über eine kontinuierliche Variation des Frequenzverhältnisses untersucht. Hier zeigt sich der starke Einfluss der Interferenzen für kommensurable Frequenzen im direkten Vergleich zum inkommensurablen Fall. Schließlich wird der Spezialfall zweier Moden mit gleicher Frequenz betrachtet. In der Variation der Elliptizität des kombinierten Laserfeldes wird die Abhängigkeit der totalen Paarerzeugungsrate von diesem Parameter im Vergleich zwischen konstanter totaler Feldintensität und konstanter maximaler Feldintensität untersucht.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Müller, Prof. Dr. Dr. Carsten
Date of thesis defense: 24 July 2014
Date Deposited: 04 Aug 2014 10:14
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 530 Physics
Uncontrolled Keywords: nonlinear non-linear Bethe-Heitler pair creation bichromatic two-color two-colour laser field
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