Ultra yoğun helezon lazer demetleri ile parçacık hızlandırma
Particle acceleration with ultra-intense helical laser beams
Yazar: İLHAN SATILMIŞ
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGÜR CULFA
Karamanoğlu Mehmetbey Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Lazer ışını = Laser beam ; Lazerler = Lasers ; PIC = PIC ; Parçacık hızlandırma = Particle acceleration

Özet:
Bu tez çalışmasında farklı kutuplanmada yüksek yoğunluktaki lazerlerin katı ve plazma hedeflerle etkileşiminde hızlandırılan yüklü parçacıkların özellikleri incelenmiştir. Lazerle hızlandırılmış parçacıklar, hadron tedavisi gibi tıbbi uygulamalarda kullanılabilir. Ancak çalışılması gereken konu iyonların odaklanmasıdır. Önceki çalışmalarda protonların 20o'lik  açısal dağılıma sahip olduğu gösterilmiştir. İyonlar hızlandırıldıktan sonra odaklanabilirlerse hadron terapisinde kullanılabilirler. Lazer darbelerinin, lazer kesitine Laguerre-Gauss (LG) dağılımı uygulanarak sarmal olarak kutuplanabildiği bilinmektedir. Çalışmamızda lazerle hızlandırma yöntemlerine yeni bir bakış getirerek doğrusal kutuplanmış (LP) veya dairesel kutuplanmış (CP) lazer demetleri yerine helezon lazer demetlerinin parçacıklar üzerindeki etkileri araştırılmış, LP ve CP lazerler ile karşılaştırılmıştır.
Helezon lazer demetinin elde edilebilmesi için 3D hücre içi parçacık (PIC) kodları kullanılmış ve lazer demetini tanımlayan Gauss denklemi, Laguerre Gauss (LG) denklemi ile değiştirilerek elde edilmiştir. Bu LG kutuplanmaya sahip lazer demetin LG denklemindeki üstel fonksiyonunda (exp(-imφ)) m faz değişim sayısı değiştirilerek elde edilen farklı helezon demetlerinin, hızlandırılan parçacıkların enerjileriyle açısal momentumları üzerine etkisi araştırılmıştır.
Çok yüksek yoğunluktaki >1021 W cm-2 helezon demete sahip lazer plazma etkileşimleri sonucu hızlandırılan yüklü parçacıkların (elektron, proton ve ağır iyonlar) ve QED etkisi göz önüne alındığında çift oluşumu ile ortaya çıkacak gamma ışınlarının bilgisayar ortamında gözlemlenmesi gerçekleştirilmiştir. Yaklaşık 0,2 PW'dan 100 PW'a kadar farklı LG modlarına sahip lazerlere ilaveten LP ve CP lazer ışınları kullandık. LG lazer ile aynı güce sahip CP ve LP lazer ışınları ile hızlandırılmış parçacıkların elde edilen enerjilerini ve açısal dağılımlarını 3D PIC kodları kullanarak karşılaştırdık. PW sınıfı LP lazerleri, 3D PIC simülasyonlarıyla helezon kutuplanmış şekilde bilgisayar ortamında canlandırıp farklı ortamlarda hızlandırılan yüklü parçacıkların, üretilen gamma ışınlarının özelliklerini ve karakteristiklerini inceledik.
Sonuç olarak helezon lazer demetlerinin çizgisel ve dairesel lazer demetlerine göre daha iyi bir şekilde odaklandığı saptanmıştır. 

Anahtar Kelimeler: Lazer, plazma, parçacık hızlandırma, PIC simülasyonlar

Abstract:
Previous studies have shown that accelerated protons can have an angular distribution of 20o. For this reason, the effects of the helically polarized laser beams with ultra intense high power lasers on the accelerated particles have been investigated instead of linear polarized (LP) or circularly polarized (CP) laser beams by bringing a new approach to the laser acceleration methods and obtained results were compared to LP and CP laser beams.
In this thesis, to define Laguerre Gaussian (LG) laser beam, we had to modify the introduced classical Gaussian laser beam and convert it to new LG laser beam by introducing the LG equation inside the 3D PIC codes. This new LG laser beam has an exponential part of the LG equation (exp(-imφ)), here, m defines the number of different phase variation. In this research, we varied the specified m number and investigated the effect of m phase variation number on generated particles by ultra intense high power lasers. Then, we varied the laser intensities for helical laser beam so effect of increasing intensity on accelerated particles have been investigated for LP, CP and LG beams with such high irradiance laser pulses. 
In this thesis, the laser plasma interactions with high irradiances (> 1021 W cm-2) have been studied to investigate the gamma rays generated by pair production, accelerated charged particles (electrons, protons and heavy ions) and QED effects with helical laser beams. Current studies on particle acceleration include LP and CP PW class lasers. Our aim in this thesis was to investigate the characteristics of accelerated charged particles and generated gamma rays by high power lasers computationally using 3D PIC codes and LG laser beams. 
As a result of our thesis study, it was determined that helical laser beams focus better than linear and circular laser beams.

Keywords: Laser, plasma, particle acceleration, PIC simulations