Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.1
Brief History of Intense Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.1.1
Invention of Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.1.2
High-Power Lasers for Nuclear Fusion . . . . . . . . . . . . .
5
1.1.3
Ultra-Intense and Ultra-Short Lasers . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.2
What Is Plasma? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.2.1
Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.2.2
High-Density Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.3
Magnetic Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3
Basic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.1
Maxwell Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2
Electron Motion in Laser Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.3
Normalized Laser Strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4
Non-relativistic Laser-Plasma Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.1
Collisional Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4.2
Collisionless Absorption and Ponderomotive Force . . . . 18
1.5
Relativistic Laser-Plasma Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.1
Relativistic Electron Oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.2
Relativistic Laser and Solid Interaction . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.3
Theory of Chaotic and Stochastic Heating . . . . . . . . . . . 21
1.6
PIC Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Part I Non-relativistic Lasers
2 Laser Absorption by Coulomb Collision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1
Plasma Generation by Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.1
Field-Induced Electron Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.2
Ionization by Multiphoton Absorption . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.3
Tunneling and Over-Threshold Ionizations . . . . . . . . . . . 34
2.1.4
Experimental Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
xiii