Structured laser-plasma interactions at ultra-high intensities

10/03/2025

As interações de lasers com plasmas em intensidades ultra-elevadas oferecem uma plataforma poderosa para a aceleração de partículas carregadas a energias elevadas (10s → 100s MeV) em distâncias microscópicas, constituindo uma alternativa promissora aos aceleradores convencionais. Protões e eletrões de alta energia desempenham um papel crucial em aplicações como microscopia, fontes avançadas de radiação, tratamentos médicos e física de altas densidades de energia. Os avanços na tecnologia de lasers permitem a geração de lasers com estrutura para além dos perfis Gaussianos em intensidades ultra-elevadas. A fase, a polarização e o acoplamento espaço-temporal personalizados introduzem novos graus de liberdade para manipular a dinâmica do plasma. Esta tese utiliza modelação teórica e simulações tridimensionais de particle-in-cell para investigar o papel dos lasers com estrutura na descoberta de novos mecanismos para aceleradores de partículas compactos. O primeiro objetivo é gerar protões de alta energia colimados. Exploramos efeitos como a redução da autofocalização relativista através de designs avançados de alvos e apoiamos resultados experimentais sobre a aceleração de protões induzida por lasers torcidos, estabelecendo a ligação entre teoria, simulações e experiências. Além disso, analisamos o ganho de momento angular dos eletrões no plasma em diferentes condições. Identificamos um mecanismo no qual a depleção local do laser com polarização azimutal—mas sem momento angular líquido—facilita a rotação dos eletrões. Adicionalmente, a transferência de momento angular de lasers que transportam momento angular de spin e orbital é estudada em diferentes regimes de plasma, demonstrando o seu papel na geração de campos magnéticos substanciais. Laser-plasma interactions at ultra-high intensities provide a powerful platform for accelerating charged particles to high energies (10s → 100s MeV) over microscopic distances, offering a promising alternative to conventional accelerators. High-energy protons and electrons play a crucial role in applications such as microscopy, advanced radiation sources, medical treatments, and high-energy-density physics. Advances in laser technology enable the generation of structured beams beyond Gaussian profiles at ultrahigh intensities. Tailored phase, polarization, and spatiotemporal coupling introduce new degrees of freedom to manipulate plasma dynamics. This thesis employs theoretical modeling and three-dimensional particle-in-cell simulations to investigate the role of structured lasers in unlocking novel mechanisms for compact particle accelerators. The first objective is to generate collimated high-energy proton beams. We explore effects such as reduced relativistic self-focusing through advanced target designs and support experimental findings on twisted laser-driven proton acceleration, bridging theory, simulations, and experiments. Furthermore, we examine angular momentum gain in plasma electrons under different conditions. We identify a mechanism in which local pump depletion of a laser with azimuthal polarization—but no net angular momentum—facilitates electron rotation. Additionally, angular momentum transfer from lasers carrying spin and orbital angular momentum is analyzed across different plasma regimes, demonstrating their role in generating substantial magnetic fields.

Authors in the community:

• 

  C

  Camilla Willim

  ist428475

Supervisors of this institution:

• 

  J

  Jorge Miguel Ramos Domingues Ferreira Vieira

  ist149540

• 

  L

  Luís Miguel De Oliveira e Silva

  ist13387

101634862

Doutoramento em Física

physical-sciences - Physical sciences

Keywords

• Plasma-based particle acceleration
• Structured light
• Angular momentum
• Collisionless plasma
• Particle-in-cell simulations
• Aceleração das partículas carregadas
• Lasers com estrutura
• Momento angular
• Plasma sem colisões

eng - English

Instituto Superior Técnico

Financing entity

Fundação para a Ciência e a Tecnologia

Identifier for the funding entity: https://doi.org/10.13039/501100001871

Type of identifier of the funding entity: Crossref Funder

Number for the project, award or grant: PD/BD/142971/2018