In this paper, we present an analysis framework for description of nonlinear, self-consistent laser-plasma evolutions during propagation of a short intense laser pulse in a high-density sub-critical plasma (the pulse length exceeds the plasma wavelength). In this context, the pulse evolutions are attributed to the wakefield induced self-modulation and destabilization via parametric exponentiation of the initial noise content. The self-consistent plasma evolutions are formulated in terms of used-to-be motion constants in the absence of pulse evolutions. This proves very useful both in uncovering important plasma dynamics during self-modulation and also in facilitating the instability studies in the strongly nonlinear regime through refinement of unstable plasma perturbations. General analytical solutions, at arbitrary pulse conditions, are derived for self-modulation, indicating that the envelope evolutions are driven by the induced spatial frequency-chirp. Also, these results state that the envelope attains fine modulations which produce long wavelength low-frequency modes via beating the carrier mode. The plasma wave variations are found to convect and amplify away from the pulse front. Regarding parametric instability, we assess different scattering regimes at different pulse shapes and peak intensities, manifesting anomalous behaviors ranging from wild positioning of the Stokes wave in dispersion plane to broadening in the scattered spectrum and halting the instability. Our analyses are assisted and verified by numerous fluid and particle-in-cell simulations. Based on our results, we discuss phenomena like the pulse breakup and its different regimes, and assisted particle acceleration in the presence of pulse evolutions.
本論文では、高密度の準臨界プラズマ中を伝搬する短パルス強レーザーの非線形かつ自己無撞着なレーザープラズマ発展を記述するための解析枠組みを提示する（パルス長はプラズマ波長を超える）。この文脈において、パルス発展は、初期ノイズ含有量のパラメトリック増幅による航跡場誘起自己変調と非安定化に帰属される。自己無撞着なプラズマ発展は、パルス発展が存在しない場合の運動不変量を用いて定式化される。これは、強非線形領域における不安定性研究を促進するとともに、自己変調中の重要なプラズマ動力学を解明する上で極めて有効である。任意のパルス条件に対する自己変調の一般解析解が導出され、エンベロープ発展が誘起された空間チャープによって駆動されることが示される。さらに、これらの結果は、エンベロープがキャリアモードとのビートにより長波長の低周波モードを生成する微細変調を獲得することを示す。プラズマ波の変動は、パルス前面から離れる方向に対流し増幅されることが見出される。パラメトリック不安定性に関しては、異なるパルス形状とピーク強度における様々な散乱レジームを評価し、分散面におけるストークス波の異常な位置決めから、散乱スペクトルのブロードニング、そして不安定性の停止に至る多様な挙動を示す。本解析は、多数の流体シミュレーションおよび粒子シミュレーションによって検証される。これらの結果に基づき、パルス破砕現象とその異なるレジーム、ならびにパルス発展存在下での支援粒子加速について考察する。