2.2
Laser as Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.1
Maxwell Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.2.2
Electromagnetic Waves in Vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2.3
Lasers as Coherent Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . 44
2.3
Electron Current Induced by Laser Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.1
Antenna and Thomson Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.3.2
Electron Current in Matters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.4
Electron Coulomb Collision by Ions in Plasma . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4.1
Debye Shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.2
Yukawa Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.3
Coulomb Logarithm (Log) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
2.4.4
Collision Frequency and Electrical Resistivity . . . . . . . . 61
2.4.5
Relaxation Time to Thermal Equilibrium . . . . . . . . . . . . 62
2.5
Lasers in Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.5.1
Classical Absorption of Laser Energy . . . . . . . . . . . . . . 69
2.6
Laser Absorption in Plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.6.1
Physical Image of Classical Absorption . . . . . . . . . . . . . 72
2.6.2
Simple Diffusion Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.6.3
Kinetic Derivation by Dawson and Oberman . . . . . . . . . 75
2.6.4
Quasi-Linear Model of Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . 78
2.7
Bremsstrahlung and Collisional Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . 79
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3 Ultra-Short Pulse and Collisionless Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.1
Ultra-Short Pulse in Non-relativistic Intensity . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.2
Self-Consistent Analysis of Short Pulse Absorption . . . . . . . . . . . 88
3.3
Quantum Theory of Electric Conductivity in Dense Plasmas . . . . 95
3.4
Nonlinear Inverse Bremsstrahlung (IB) Absorption (v e < v os ) . . . . 99
3.5
Electron Plasma Waves and Collisionless Absorption . . . . . . . . . 104
3.6
Resonance Absorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.6.1
Collisional Absorption Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
3.6.2
Singular Point Integral Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.7
Resonance in Pendulum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3.8
Linear Mode Conversion in Resonance Absorption . . . . . . . . . . . 115
3.8.1
Absorption Rate and Pump Depletion . . . . . . . . . . . . . . 117
3.9
Large Amplitude Electron Plasma Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.9.1
Wave-Breaking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
3.10 Vacuum Heating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
3.10.1 Physical Image and Absorption Rate . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.10.2 Skin Depth at Sharp Boundary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
4 Nonlinear Physics of Laser-Plasma Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.1
Ponderomotive (PM) Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
4.2
Nonlinear Schrodinger Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
xiv
Contents