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Univ. Paris-Saclay
23 octobre 2012
Interaction laser-solide avec excitation d'ondes de surface : pour un champ magnétique géant
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L'interaction d'une impulsion laser ultracourte de forte intensité avec une surface solide génère un plasma dense d'où sortent des faisceaux de particules de haute énergie. La conversion d'énergie lumineuse en énergie (cinétique) des particules peut être optimisée en modulant à l'échelle de la longueur d'onde du laser la surface de la cible, de façon à exciter de façon résonnante une onde plasma de surface. Dans ce cas, les simulations montrent non seulement la présence d'un champ électrique oscillant localisé sur la surface et plus intense que le champ du laser, mais aussi la génération, pendant la durée de l'impulsion, d'un champ magnétique statique extrêmement intense (> 104 T !). Ces champs contribuent conjointement au confinement des électrons du plasma et à l'accélération efficace des protons éjectés.

 

 

La génération de faisceaux de particules chargées accélérées peut être obtenue à partir d'un plasma. Le développement des lasers à durée d’impulsion ultra courte (< 50 fs) et intense (> 1018 W/cm2) ainsi que la technique du miroir plasma qui génère des impulsions avec un contraste laser élevé (> 1011) permettent aujourd’hui de créer par interaction laser-solide des plasmas sur-dense, c'est à dire opaque aux ondes électromagnétiques, et à gradient de densité raide. On peut ainsi produire des faisceaux d'électrons ou ions, qui présentent beaucoup d’intérêt pour des applications médicales (protonthérapie) ou pour la fusion par confinement inertielle. Cependant, l’absorption de l’énergie laser au cours de l’interaction reste inférieure à 30%, ce qui limite drastiquement l’énergie des particules émises au cours de l’interaction.

Pour surmonter cette difficulté, il est possible par une structuration de la surface d'interaction d'exciter une onde plasma de surface et d'augmenter ainsi l’absorption du laser jusqu’à 80%. Cette excitation laser d’ondes de surface dans un plasma sur-dense induit un champ électrique haute fréquence localisé sur la surface plasma/vide et des particules rapides [1]. Pour des intensités laser pas trop élevées (< 1017 W/cm2), les modèles simples traitant le plasma comme un fluide non relativiste indiquent que l’excitation de l’onde de surface induit également un champ magnétique statique localisé à l'interface plasma/vide [2, 3] et dont l’amplitude varie comme le carré de l’amplitude de l’onde de surface.

 
Interaction laser-solide avec excitation d'ondes de surface : pour un champ magnétique géant

Amplitude du champ magnétique statique (normalisé à meω0c/e ~ 107 MG) issus des simulations PIC en fonction de l’amplitude du champ de l’onde de surface (normalisé à E0=3 1010V/cm)

Pour obtenir une meilleure description de la dynamique du plasma et de l’évolution des champs en présence du champ laser, des simulations Particules-In-Cell (PIC) [1] ont été réalisées avec le code relativiste EMI2D développé au Centre de Physique Théorique de l’École Polytechnique. L’existence d’un champ magnétique statique est bien confirmée lorsqu’une onde de surface est excitée dans un plasma à surface modulée. On retrouve de plus, à basse intensité laser, un bon accord entre les résultats des simulations PIC et le modèle fluide. En régime d’intensité laser relativiste, on observe que l’amplitude du champ magnétique statique dépend linéairement de l’amplitude de l’onde de surface et des champs très intenses sont générés : ~ 550 MG (soit, ~ 5 104 Tesla !) à 7 1019W/cm2 (pendant des temps de l'ordre de 0.5 ps).

Pour de telles intensités du champ magnétique, le rayon de Larmor associé est de l’ordre de la longueur d’onde du laser. Le champ est ainsi en mesure de modifier la trajectoire des particules et un confinement partiel des électrons est donc attendu.


[1] Les codes de type Particule-In-Cell (PIC) sont communément utilisés pour étudier numériquement la dynamique des particules impliquées dans l’interaction laser-plasma. La dynamique des particules est obtenue par résolution numérique de l’équation de Boltzman dans l’espace des phases avec une approche Lagrangienne. Les moments de la fonction de distribution (densité et courant) sont obtenus simultanément dans l’espace sur des points d’un maillage Eulérien. Une fois les sources obtenues, elles sont utilisées pour résoudre numériquement les champs électromagnétiques qui seront utilisés lors du pas de temps suivant.

Code utilisé : code parallèle relativiste bi-dimentionel  EMI2D, développé à l'École Polytechnique (J-C. Adam et A. Heron) Dans ces simulations d’une durée typique de 20 000 h CPU, on considère 3 109 particules (répartie dans une boite de taille 46λ0 x 10λ0) pendant une durée d’interaction de 1,2 ps (pour une impulsion laser d’une durée de 60 fs). Projet GENCI t2012056851.

 

 
En présence d’une onde de surface : champ magnétique statique (dans le plan xy de la simulation) dans le cas d’un plasma surdense (25nc) ayant une surface modulée qui permet l’excitation d’une onde de surface (incidence laser 30°, 1019W/cm2, 800mn, 50fs) En l’absence d’onde de surface : champ magnétique statique (dans le plan xy de la simulation) dans le cas d’un plasma surdense (25nc) (incidence laser 30°, 1019W/cm2, 800mn, 50fs)

 

 

 

En égard aux applications potentielles, des cibles minces (3 à 7 µm) à surface modulée ont été également étudiées. On montre que l'excitation d'une onde de surface augmente d’un facteur 2 l’énergie des protons émis en face arrière.

Ainsi, la structuration de la surface d'un solide, permettant l’excitation d’une onde de surface lors de l’interaction avec une impulsion laser ultra courte et intense, est un moyen prometteur pour augmenter l’efficacité du couplage avec les particules chargées du plasma formé. Un champ magnétique statique intense est alors généré, qui peut renforcer l'intensité de faisceaux de particules de haute énergie. Dans ce cadre des projets expérimentaux sont en cours de développement en collaboration avec l’équipe PHI du SPAM.

Références :

[1] Strongly enhanced laser absorption and electron acceleration via resonant excitation of surface plasma waves,
M. Raynaud, J. Kupersztych, C. Riconda, J.C. Adam and A. Héron, Phys. Plasma 14 (2007) 092702.

[2] Steady magnetic field generation via surface plasma wave excitation
A. Bigongiari, M. Raynaud and C. Riconda, Phys. Rev. E Rapid Comm 84 (2011) 015402(R).

[3) Efficient laser-overdense plasma coupling via surface plasma waves and steady magnetic field generation,
A. Bigongiari, M. Raynaud, C. Riconda, A. Héron and A. Macchi, Phys. Plasma 18 (2011) 102701.

Collaboration : CEA-IRAMIS-LSI / CNRS / UPMC / Ecole Polytechnique - LULI, CPhT.


Contacts:

M. Raynaud, CEA-Saclay, IRAMIS, Laboratoire des Solides Irradiés, Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau.

C. Riconda, TIPS/LULI, Université Paris 6, CNRS, Ecole Polytechnique, 3 rue Galilée, 94200 Ivry-sur-Seine.

 

 

Maj : 16/11/2012 (2006)

 

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