Relativistic Optics: The Frontier of Ultrashort X-ray Pulse Generation

Abstract

Relativistic Optics: The Frontier of Ultrashort X-ray Pulse Generation M. Lamač1,2 1 ELI Beamlines Facility, Extreme Light Infrastructure ERIC, Dolni Brezany, Czech Republic 2 Faculty of Mathematics and Physics, Charles University, Prague, Czech Republic In his 1905 work on the theory of special relativity, A. Einstein predicted that a radiation pulse reflected from a counter-propagating relativistic mirror undergoes blueshift and length contraction due to the relativistic Doppler effect. Nowadays, high-powered laser systems enable the creation of such relativistic mirrors through nonlinear processes that occur when a relativistically intense laser pulse interacts with plasma. The proliferation of high-powered laser systems in the past years motivates us to explore a new kind of nonlinear optics, which emerge due to laser-induced nonlinear oscillations of charged particles, the velocity of which can get close to the speed of light. The insights into what is now called relativistic optics have a transformative potential to advance particle acceleration, coherent X-ray pulse generation, laboratory astrophysics, ultrafast X-ray spectroscopy, medical imaging or radiotherapy, and many other applications. This doctoral thesis serves as a brief introduction to the field of relativistic optics, as well as a summary...

Relativistická Optika: Hranice Generace Ultrakrátkých Rentgenových Pulzů M. Lamač1,2 1 ELI Beamlines, The Extreme Light Infrastructure ERIC, Dolní Břežany, Česká Republika 2 Matematicko-Fyzikální Fakulta, Univerzita Karlova, Praha, Česká Republika V roce 1905 ve své práci o teorii speciální relativity A. Einstein předpověděl, že radiace odražená od relativistického zrcadla pohybujícího se opačným směrem prochází posunem spektra k vyšším frekvencím (blueshift) a zkracuje se v důsledku relativistického Dopplerova jevu. V současnosti vysokovýkonné laserové systémy umožňují vytváření takových relativistických zrcadel prostřednictvím nelineárních procesů, které nastávají při interakci relativisticky intenzivního laserového pulsu s plazmatem. Rozšíření vysokovýkonných laserových systémů v posledních letech nás motivuje k průzkumu nového druhu nelineární optiky, která vzniká díky laserem indukovaným nelineárním oscilacím nabitých částic, jejichž rychlosti se mohou přiblížit rychlosti světla. Poznatky v oblasti, která se nyní nazývá relativistická optika, mají transformační potenciál pro rozvoj urychlování částic, generaci koherentních rentgenových pulzů, laboratorní astrofyziku, ultra rychlou rentgenovou spektroskopii, medicínské zobrazování nebo radioterapii a mnoho dalších aplikací. Tato doktorská práce slouží...