Generationofelectromagneticpulsesfromplasmachannels inducedbyfemtosecondlightstrings

Chung-ChiehCheng,E.M.Wright,andJ.V.Moloney

ArizonaCenterforMathematicalSciences,andOpticalSciencesCenter,UniversityofArizona, Tucson,AZ85721

December04,2000

We present a model that elucidates the physics underlying the generation of an electromagneticpulsefromaplasmachannelresultingfromtheionizationofairbya femtosecond laser pulse. By a new mechanism analogous to nonlinear optical rectification,thelaserpulseinducesadipolemomentintheplasmawhichsubsequently oscillates at the plasma frequency and radiates an electromagnetic pulse with a peak frequency within the far-infrared to microwave region, depending on the electron density,withabandwidtharoundhundredsofgigahertz.

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Recentinvestigationsofthepropagationofintensefemtosecondinfrared(IR)laser pulsesinairshowthatthedynamicalinteractionbetweennonlinearself-focusing, plasmadefocusing,andgroup-velocitydispersioncancauseaninitialbeamtobreakup spatiallyintoseveralfilaments,orlightstrings,withdiametersaroundahundred micronsthatcanmaintainthemselvesoverlongdistances[1,2,3,4,5].Ithasbeen observedexperimentallythatfemtosecondlightstringsinturnproduceplasma channelsbymulti-photonionization(MPI)alongtheirdirectionofpropagationwith lengthsrangingfromtensofcentimeterstoseveralmeters[6,7,8].Observationsofthe electromagneticpulses(EMPs)fromlightstringinducedplasmassuggestthatthese channelsattaindipolemomentsduringthelaserpulsewhichsubsequentlyoscillateat theplasmafrequencyandradiate[6].Thelifetimeoftheobservedplasmachannelsis aroundananosecondinkeepingwiththedurationoftheobservedEMP,thoughtheir frequencycontenthasnotbeendeterminedexperimentallyasofyet.

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