Interaction laser-matière
Interaction laser-matière en champ fort
| Les chercheurs d'une collaboration entre le Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA, ENSTA-X-CNRS) à Palaiseau et l'équipe "Physique à haute intensité" de l'IRAMIS/LIDYL sont parvenus pour la première fois à accélérer des électrons par laser dans le vide (Vacuum Laser Acceleration - VLA) jusqu'à des énergies relativistes en utilisant un champ électrique longitudinal. Pour parvenir à ce résultat, la polarisation linéaire habituellement utilisée dans les expériences a été convertie en polarisation radiale, qui possède une structure idéale pour l'accélération par laser dans le vide et permet d'obtenir des faisceaux d'électrons mieux collimatés. Ces expériences, combinées à des simulations de pointe en trois dimensions, ont permis une compréhension fine des mécanismes physiques en jeu et des optimisations à réaliser lors des futures expériences. Ces résultats montrent que l'accélération par laser dans le vide est une voie prometteuse pour générer de façon compacte des faisceaux d'électrons relativistes de très bonne qualité et de durée femtoseconde. |
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L’avènement des lasers femtosecondes (1fs = 10-18s) de puissance avec la technique "Chirped Pulse Amplification" (CPA) [1] permet aujourd’hui de délivrer des intensités lumineuses gigantesques (> 1021 W.cm-2) associées à des champs électriques ultra-intenses de l’ordre de 1013 V.m-1. Dans ces conditions extrêmes, la matière devient plasma et le champ laser peut accélérer des particules chargées (électrons/ions) du plasma à des vitesses relativistes en quelques attosecondes (1as = 10-18s). La physique associée à ces nouveaux régimes, appelée physique des Ultra-Hautes Intensités (UHI), est ultra-relativiste, fortement non-linéaire et hors-équilibre, ce qui rend son étude particulièrement importante d’un point de vue fondamental. Les codes "Particle in Cell" - code PIC - sont particulièrement adaptés pour modéliser ces types de plasmas. Ils permettent de tester finement tous les effets de l'interaction laser-matière, lorsque l'on manipule des impulsions ultra-courtes et ultra-intenses, et surtout permettent de proposer de nouveaux modes expérimentaux. Comparé au régime térawatt, il est ainsi montré que de nouveaux phénomènes apparaissent lors de la focalisation d'une impulsion laser d'une puissance supérieure au pétawatt (> 1 PW = 1015 W) sur une surface solide : du fait de l'effet doppler et de la courbure induite par l'extrême pression de radiation, un facteur 500 est prédit sur l'intensité du champ réfléchi par un "miroir plasma", pouvant alors atteindre 1025 W.cm-2 au point focal. [1] Le prix Nobel 2019 de Physique a été attribué à Gérard Mourou et Donna Strickland pour la découverte de cette technique d'amplification des impulsions laser. |
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Les vortex optiques sont des faisceaux de lumière à plan d’onde hélicoïdaux porteurs de moment angulaire orbital (OAM), comme le montre leur capacité à induire un mouvement de rotation de la matière. De par leurs propriétés étonnantes (phase en spirale et intensité distribuée en anneau), ces faisceaux ont d’ores et déjà ouvert la voie à de nouvelles applications (spectroscopie, microscopie, manipulations optiques…) dans les domaines du visible et de l’infrarouge, que l'on cherche naturellement à étendre dans le domaine X-UV. Les lasers possédant de l'OAM suscitent un intérêt croissant dans la communauté des faisceaux laser ultra-hautes intensités (UHI), puisqu'ils offrent de nouveaux moyens de contrôle des interactions avec la matière : le transfert d'OAM à un plasma modifie profondément la physique des interactions lumière-matière et apporte de nouvelles possibilités sur les deux grandes applications des faisceaux UHI : la production de rayonnement harmonique XUV et la production de faisceaux ultrabrefs de particules de haute énergie. Dans ce domaine, si un grand nombre d'études théoriques ont été réalisées sur le sujet, aucune expérience n'avait encore démontré ces effets pour les très hautes intensités (I > 1016 W/cm2), étant donné la difficulté de produire un faisceau laser large et intense avec un front d'onde hélicoïdal. Une équipe de recherche du LIDYL vient de montrer, sur l’installation laser UHI100, qu’il est possible de générer des impulsions lasers porteuses de moment angulaire orbital et de transférer ce moment à un faisceau d’harmoniques générées sur miroir plasma pour des intensités supérieures à 1019 W/cm². Ces travaux font l’objet de deux publications dans Physical Review Letters [1] et Nature Physics [2]. |
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Deux équipes du CEA LIDYL et du Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA) ont réussi à mettre en évidence pour la première fois l'accélération d'électrons "dans le vide", par un faisceau laser intense. Cette observation montre qu'il est possible de profiter des très fortes amplitudes de champ électrique des impulsions de lumière laser femtoseconde, que l'on sait aujourd'hui produire, pour accélérer des particules à haute énergie sur de faibles distances. En concentrant la lumière sur des durées femtosecondes (10-15 s), les impulsions laser peuvent atteindre des puissances lumineuses instantanées considérables (~ 1 PW, soit 1015 W) et donc des amplitudes extrêmement élevées du champ électrique associé (~ TéraV/m, soit 1013 V/m). Comme les vagues en haute mer ne peuvent faire avancer les navires, ce champ, par nature oscillant, ne peut accélérer à de très hautes énergies des particules chargées. Mais comme le surfeur qui va chercher la vague et en avançant avec elle peut continûment profiter de sa pente, l'injection d'électrons relativistes (avec une vitesse très proche de celle de la lumière) dans le faisceau laser peut théoriquement permettre l'accélération recherchée, en profitant pleinement des champs électriques gigantesques associés aux impulsions laser ultracourtes. De nombreuses équipes de par le monde ont essayé de mettre en évidence ce phénomène, sans pouvoir en apporter la preuve définitive. Cette accélération "dans le vide" de particules chargées par un champ laser intense vient d'être expérimentalement démontrée par une collaboration entre une équipe de l’IRAMIS et le Laboratoire d’Optique Appliquée (ENSTA-X-CNRS) à Palaiseau. L'interaction de l'impulsion laser avec une cible solide (miroir plasma) permet d'obtenir l'injection idéale d'électrons qui, surfant sur l'impulsion laser, atteignent des énergies de l'ordre de 10 MeV sur une distance de 80 µm. Cette première ouvre ainsi la perspective d’utiliser des faisceaux laser intenses pour réaliser des accélérateurs compacts d'électrons de très haute énergie. |
Les sources d’électrons pulsées représentent une alternative intéressante aux sources de photons X pulsées basées sur des systèmes laser de haute intensité.
Nous décrirons les méthodes actuelles de génération de paquets d’électrons ainsi que les techniques de caractérisation des paquets. Les résolutions temporelles et spatiales ultimes qu’il est possible d’atteindre à ce jour seront discutées. Nous exposerons les résultats obtenus lors de notre dernière campagne de mesure sur le serveur ELYSE de l’Université Paris-Sud en 2014, en collaboration avec une équipe de l’ISMO et la start-up ITEOX. Finalement, quelques applications seront mises en perspective.
Coherent diffractive imaging is a recent imaging technique that offers spatial resolutions of the order of the wavelength, thanks to the fact that it does not require any potentially aberrating optical elements. We recently demonstrated sub 100-nm resolution using XUV radiation created by infrared laser high order harmonic generation (HHG). However, the resolution is usually limited by the source spectral width. We propose a new lensless holographic imaging scheme that gives the ability to exploit the spectral and temporal properties of HHG emission. Through a clever positioning of the holographic reference, we demonstrate the possibility either to combine the spatial and spectral resolutions in a single laser pulse, or to achieve nanometer spatial or sub-femtosecond temporal resolutions.
Due to their considerable energy, extreme ultraviolet photons ionize all molecules, regardless of the details of their energy structure. For this reason ultrashort light pulses in this spectral range are second to none to probe photochemical processes. In particular they give access to information on the reaction intermediates, which are ephemeral structures whose spectroscopic properties are usually out of reach. Through a collaboration between the Laboratory interactions, dynamic and lasers - LIDyL (CEA), the intense laser center for applications - CELIA (CNRS / CEA / Univ Bordeaux.), The SOLEIL synchrotron, and the Laboratory collisions, aggregates, reactivity - LCAR (CNRS / Univ. Toulouse 3) we have developed a new laboratory scale source that delivers bright coherent ultrashort and quasi-circularly polarized pulses in the extreme ultraviolet. For this, we used resonant high order harmonic generation in a gas submitted to an intense laser pulse. Today, such a circularly polarized light is produced in this range of radiation by just a few large scale facilities such as synchrotrons and, with the notable exception of a few free electron lasers, only quasi-continuously. Specific polarization properties of this new source presage pump probe studies of processes occurring in chiral molecules, that is to say molecules that are not their own mirror image. The ubiquitous role of these molecules in organic chemistry and biology suggests many applications.
http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n2/full/nphoton.2014.314.html
Nous relatons ici une expérience qui s'est déroulée sur l'installation LULI-2000 pendant l'année 2014. L'interaction d'un faisceau laser de 30 à 400 J pendant 1.5 nanoseconde crée un plasma des matériaux sondés qui est analysé à environ 500 µm en avant du point d'impact. Une partie des diagnostiques sert à la caractérisation du plasma, interféromètre, sondes Thomson ionique et électronique, pyromètre optique résolu en temps, et par ailleurs un spectromètre X-dur pour les mesures d'émission spectrale. Les résultats de cette expérience sont confrontés aux simulations utilisant un code hydrodynamique et deux codes "atomiques".
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L'interaction d'une impulsion laser intense avec une surface solide fait violemment osciller le cortège électronique, entrainant l'émission de protons. C'est une méthode pour obtenir une source de protons de haute énergie pour de nombreuses applications (imagerie et proton thérapie par exemple). Deux équipes de l’IRAMIS appartenant au SPAM (Physique à Haute Intensité) et au LSI (Interaction Laser-Solide) ont montré, pour la première fois, qu’à l'aide de surfaces structurées, il est possible de renforcer l’efficacité du couplage avec le faisceau laser, via l’excitation résonante d’ondes de surface en régime relativiste, et d'obtenir ainsi des protons de plus haute énergie. La démonstration expérimentale de ce mécanisme original ouvre une voie pour améliorer la production par laser de faisceaux de particules énergétiques. |
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Pour observer des phénomènes ultrarapides tels que le mouvement des électrons au sein de la matière, les chercheurs ont besoin de sources capables de produire des rayonnements lumineux extrêmement brefs et énergétiques. Si des dispositifs capables d’émettre des impulsions dans le domaine de l’attoseconde (10-18 seconde) existent déjà, de nombreuses équipes s’efforcent de repousser les limites de leur intensité et de leur durée.
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Since the invention of the laser, thesearch for shorter wavelengths, up to the X-ray range is a permanent concern. One way to generate such XUV radiation is to focus an intense laser beam in a material. The material responds to the strong external stress in a non-linear way, producing high order harmonics of the fundamental frequency excitation.
During the last fifteen years, atomic or molecular systems are used as frequency converters. It is the harmonic generation in gases (see the highlight of 13 May 08: "Using molecules to control attosecond light pulses"). These harmonics have temporal and spatial properties of particular interest that is reflected in the time domain because they are emitted as attosecond pulse trains, and exhibit an excellent spatiial coherence. In that way, the properties of the XUV beams match those of the primary laser excitation.
Recently, another way to generate those high frequencies appeared and is in full development. The idea is to use the surface of a solid, otherwise known as a "plasma mirror" (see the highlight of September 2006: "Plasma mirrors: from high intensity physics to new light sources") where the light of an incoming high intensity laser beam (> 1017 W/cm2) is focused and reflected.
Thomas Blenskia et Bogdan Cichockib
aCEA Saclay, DSM/IRAMIS/LIDYL, Bât 522, F91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
bInstitute of Theoretical Physics, Warsaw University, Hoza 69,
00-681 Warsaw, Poland
Dans un plasma dense et chaud (étoiles, interaction avec un laser nanoseconde, fusion inertielle …), les atomes sont partiellement ionisés et forment un mélange d'ions et d'électrons à la dynamique très complexe. Une bonne modélisation de cet état doit être fondée sur une compréhension du système étudié permettant de reproduire l'ensemble de ses propriétés, pour finalement révéler ses particularités Pour un plasma, le bilan radiatif et les propriétés optiques sont des paramètres macroscopiques particulièrement importants à connaître, mais cela nécessite de disposer d'un modèle quantique prenant bien en compte l'ensemble des états atomiques excités tout en restant thermodynamiquement cohérent. C'est ce type de modèle que les théoriciens tentent de développer activement depuis plus de cinquante ans. La difficulté de construire un modèle quantique et thermodynamique d'un plasma a été récemment surmontée par les travaux [6,7] entrepris au DRECAM/SPAM en collaboration avec B. Cichocki de l’Université de Varsovie.
Les impulsions laser ultra-brèves, d'une durée de quelques dizaines de femtosecondes (1 fs = 10-15 s), permettent d'obtenir des puissances considérables avec une énergie par impulsion relativement modeste. En focalisant ces impulsions sur une cible, on obtient des champs électromagnétiques comparables à ceux liant les électrons aux noyaux des atomes, ce qui permet d'étudier l'interaction lasermatière dans un régime fortement non-linéaire.
Les lasers générant de telles impulsions n'ont pas un contraste temporel parfait : l'impulsion femtoseconde est "posée" sur un fond de lumière de durée nanoseconde, appelé piédestal (Fig. 1). Pour les lasers de puissance, tel que le laser UHI10 (Ultra-Haute Intensité 10 TW = 1013 W) du SPAM, ce fond continu est suffisamment intense pour modifier considérablement les cibles bien avant l'arrivée de l'impulsion femtoseconde. L'interaction à haute intensité se déroule alors dans des conditions très mal contrôlées.
