Ultrafast shadowgraphy is a new experimental technique that uses few-cycle laser pulses to image density gradients in a rapidly evolving plasma. It enables structures that move at speeds close to the speed of light, such as laser driven wakes, to be visualized. Here we study the process of shadowgraphic image formation during the propagation of a few cycle probe pulse transversely through a laser-driven wake using three-dimensional particle-in-cell simulations. In order to construct synthetic shadowgrams a near-field snapshot of the ultrashort probe pulse is analyzed by means of Fourier optics, taking into account the effect of a typical imaging setup. By comparing synthetic and experimental shadowgrams we show that the generation of synthetic data is crucial for the correct interpretation of experiments. Moreover, we study the dependence of synthetic shadowgrams on various parameters such as the imaging system aperture, the position of the object plane and the probe pulse delay, duration and wavelength. Finally, we show that time-dependent information from the interaction can be recovered from a single shot by using a broadband, chirped probe pulse and subsequent spectral filtering.
超高速シャドウグラフィは、急速に発展するプラズマ中の密度勾配を画像化するために、数サイクルレーザーパルスを用いる新しい実験手法である。これにより、レーザー駆動ウェイクなど、光速に近い速度で移動する構造を可視化することができる。ここでは、レーザー駆動ウェイクを横方向に伝搬する数サイクルプローブパルスによるシャドウグラフ画像形成の過程を、三次元粒子インセルシミュレーションを用いて研究する。合成シャドウグラムを構築するために、典型的な結像系の効果を考慮しつつ、フーリエ光学を用いて超短プローブパルスの近接場スナップショットを解析する。合成シャドウグラムと実験シャドウグラムの比較により、実験の正確な解釈には合成データの生成が不可欠であることを示す。さらに、結像系の開口、物体面の位置、プローブパルスの遅延時間・持続時間・波長などの様々なパラメータに対する合成シャドウグラムの依存性を調べる。最後に、広帯域チャーププローブパルスとその後のスペクトルフィルタリングを用いることで、単一ショットから相互作用の時間依存情報を取得できることを示す。