High-energy bremsstrahlung emission can occur owing to electron scattering in the nuclei or ions Coulomb field following the relativistic-electron generation in high-intensity laser interaction with plasmas. Such emission of photons in the keV–MeV energy range is of interest to characterize the relativistic-electron populations and develop laser-based photons sources. Even if it is a well-established and widely studied emission process, its modeling in laser-plasma scenarios needs further investigation. Moreover, advanced near-critical double-layer targets (DLTs), consisting in a low-density foam deposited on a thin solid substrate, have never been explored extensively for bremsstrahlung photon emission. Therefore, in this paper, we show the rationale, advantages, limitations, application regime, and complementarity of different modeling approaches and apply them to the unconventional configuration based on DLTs. We use multi-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations coupled with a Monte Carlo strategy to simulate bremsstrahlung in two ways: integrated into the PIC loop itself or after the simulation with two separate codes. We also use simplified semi-analytical relations to retrieve the photon properties starting only from information on the relativistic electrons. With these tools, we investigate bremsstrahlung emission when an ultra-intense laser (0.8 µm wavelength, 30 fs duration, and 3 µm waist) interacts with DLTs having different properties. Despite some limitations of the numerical tools, we find that all approaches significantly agree on the characteristics of ~1–100 MeV photon emission. This points to the possibility of adopting the different modeling approaches in a complementary way while at the same time identifying the best suited for a specific scenario. Regardless, DLTs appear to overall boost the high energy photon emission while at the same time enabling control of the emission itself.
高強度レーザーとプラズマとの相互作用において相対論的電子が生成された後、その電子が原子核やイオンのクーロン場で散乱されることにより、高エネルギーの制動放射が発生し得る。keV〜MeVエネルギー範囲におけるこのような光子の放出は、相対論的電子集団の特性評価や、レーザーに基づく光子源の開発にとって重要である。この放射過程は確立され広く研究されているものの、レーザー・プラズマシナリオにおけるそのモデリングにはさらなる検討が必要である。さらに、薄い固体基板上に低密度フォームを堆積させた先進的なニアクリティカル二層ターゲット（DLT）は、制動放射光子の放出に関してはこれまで広範に調査されていない。そこで本論文では、異なるモデリング手法の利点、限界、適用範囲、および相補性を示し、DLTに基づく非従来型の配置にそれらを適用する。我々は多次元粒子インセル（PIC）シミュレーションとモンテカルロ法を組み合わせて使用し、制動放射を2つの方法でシミュレートする：PICループ内に統合する方法と、シミュレーション後に2つの別個のコードを用いる方法である。また、相対論的電子の情報のみから光子の特性を導出する簡略化された半解析的関係式も使用する。これらのツールを用いて、異なる特性を持つDLTに波長0.8 µm、パルス持続時間30 fs、ビームウエスト3 µmの超高強度レーザーが相互作用する際の制動放射放出を調査する。数値ツールの限界はあるものの、すべての手法が約1〜100 MeVの光子放出特性について有意に一致することを見出す。これは、異なるモデリング手法を相補的に採用できる可能性を示す一方で、特定のシナリオに最適な手法を特定することも可能にする。総じて、DLTは高エネルギー光子放出を全体的に増強するとともに、放出そのものの制御を可能にすることが示される。