Arbitrarily non-paraxial electromagnetic wave-packets in particle-in-cell codes

Resumo

Os algoritmos de injeção de lasers normalmente usados em códigos de particle-in-cell (PIC) baseiam- se em soluções analíticas da equação de onda paraxial sob a aproximação de envelope lento. Estes algoritmos são computacionalmente muito eficientes, uma vez que dependem de soluções puramente analíticas. Além disso, são ideais para descrever lasers em que o tamanho do foco e a sua duração temporal são muito maiores que o comprimento de onda e o período, respetivamente. No entanto, estes algoritmos falham ao descrever a estrutura dos campos eletromagnéticos de pulsos de laser ultra curtos (por exemplo, de ciclo único) ou ultra focados, os quais são de elevada importância para a física a altas energias.

Neste trabalho, descrevemos um novo algoritmo de injeção de laser o qual se mostra capaz de injetar com precisão estruturas de luz mais complexas em códigos PIC. O algoritmo foi desenvolvido para funcionar em coordenadas 2D e 3D cartesianas e também cilíndricas, satisfazendo exatamente as Equações de Maxwell. É também capaz de injetar qualquer polarização (linear, circular, elíptica, radial e azimutal) e de executar transformações de Lorentz arbitrárias.

Usando esta nova injeção, uma nova descrição teórica e numérica de acoplamentos espaço-temporais em pacotes de ondas eletromagnéticos é desenvolvida, permitindo a injeção de pulsos com velocidades focais arbitrárias, conhecidos como pulsos flying focus. Este trabalho unifica duas descrições existentes dessa classe de pacotes de ondas e inclui algumas simulações iniciais de interação entre estes pulsos e plasmas de baixas densidades.