Matter under Extreme Conditions
 

The MEC laboratory is a fundamental research lab where two closely related topics are investigated, on the one hand the interaction of matter with a strong laser field, i.e., at high power density, on the other hand the matter at very high energy density, i.e., hot dense plasmas. The MEC lab is composed of 3 interacting research groups, namely Attophysics, Physics at High Intensity (PHI), and High Energy Density Matter (HEDM). The MEC lab comprises 19 permanent scientists and about 15 post-doctorate, PhD and graduate students.

 

In a strong laser field, corresponding to laser intensity in the range 1014-1019 W/cm2, electrons in atoms, molecules or solids can very efficiently exchange energy with the field or the laser-produced plasma. This efficient field-electron coupling leads to a variety of processes which are investigated in the Attophysics and Physics at High Intensity groups. They mainly develop their experimental programs on the laser facilities of the Saclay Laser-matter Interaction Centre ( SLIC ), partner of the Laserlab-Europe consortium. Facilities include LUCA, PLFA and UHI100 state-of-the-art laser systems.

 

In the Attophysics group, we study the very rich dynamics of electrons initially bound in atoms and molecules, under strong laser field irradiation (intensity 1014-1015 W/cm2). This dynamics takes place at the ultra-short time scale of one or a few optical cycles, e.g., 2.7 femtosecond at 800 nm wavelength. It governs the multiple ionization and fragmentation of the system, e.g., molecules, the diffraction of electrons, or the spectacular emission of ultra-short light pulses – of typically 100 attoseconds duration – in the extreme-UV range (l = 1 - 100 nm). Such pulses can be used to probe the fastest processes in matter. Moreover, the inelastic scattering of electrons accelerated in a laser field constitutes a very powerful probe of the system itself and of its ultra-fast dynamics, e.g., molecular fragmentation. The probe can combine extreme spatial resolution at the angstrom scale and temporal resolution at the attosecond scale, opening the perspective of following chemical reactions in real time. The Attophysics group develops as well applications of the ultra-short light pulses in the extreme-UV to dynamical studies.

In the Physics at High Intensity group, we study the so-called “ultra- relativistic regime”. To study these new frontiers, occurring upon reflection on overdense plasmas, it is essential to use extremely high temporal-contrast lasers. This opens the way to detailed studies of relativistic plasma optics in well-controlled conditions.

 

The first topic exploits the extreme nonlinearities induced by the ultra-strong laser fields upon reflection on a plasma, a medium capable of withstanding arbitrarily high laser intensities, in order to efficiently generate trains of energetic attosecond pulses in the XUV domain and isolated attosecond pulses in the UV range.

 

The second topic is based on ions-laser-acceleration processes. We focus on the fine understanding of various parameters influence such as gradient scale length, laser intensity and polarization and their impact on the ionic acceleration. Special efforts are paid to bring the ion energy and charge toward their maximum limits. This supports a large panel of applications of societal relevance, from the production and diagnosis of dense plasmas to the proton therapy.

The last topic is devoted to the electron acceleration using under-critical (gaseous) targets. Extremely promising laser acceleration of electrons has now been demonstrated up to energy in the GeV range. This concept should decisively contribute to, for example, radiolysis studies at ultra-short time scale, or reducing the dimensions of accelerator-based light sources to the lab scale.

The High Energy Density Matter group studies the atomic physics in hot dense plasmas, i.e., their electronic and radiative properties such as emissivity, opacity, or equation of state. Matter at high energy density appears naturally in most of the astrophysical objects – stars, supernovae -, as well as in laser-produced hot dense plasmas relevant for Inertial Confinement Fusion (ICF). The theory is developed in close connection to experiments at large scale laser facilities, e.g., the LIL (Ligne d’Intégration Laser) and LMJ (Laser MégaJoule), and Z-pinch sources (Sandia).

 

 
#1196 - Màj : 27/08/2015
Faits marquants scientifiques

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].

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.

L’imagerie par diffraction cohérente est une technique d’imagerie relativement récente permettant d’obtenir des résolutions spatiales de l’ordre de la longueur d’onde car elle se passe de l’emploi d’éléments optiques potentiellement aberrants. Ainsi, nous avons pu démontrer il y a quelques années une résolution spatiale meilleure que 100 nm en utilisant le rayonnement XUV issu de la génération d’harmoniques d’ordre élevé d’un laser infrarouge (HHG). Cependant, dans les schémas usuels, la résolution est limitée par la largeur spectrale de la source. Nous présenterons un schéma holographique d’imagerie sans lentille permettant de profiter à la fois des propriétés spectrales et temporelles de la HHG. Un placement astucieux de la référence holographique permet ainsi soit de réaliser des mesures résolues spatialement et spectralement en une impulsion laser unique, soit de combiner résolutions spatiale nanométrique et temporelle sub-femtoseconde.

Contact : Willem Boutu (LIDYL/Atto)

Avec son énergie considérable, un photon de l’ultraviolet extrême ionise toutes les molécules, indépendamment du détail de leur structure énergétique. Pour cette raison les impulsions lumineuses ultrabrèves dans ce domaine spectral sont sans égal pour sonder les processus photochimiques.  Elles donnent notamment accès à des informations sur la structure d’intermédiaires réactionnels éphémères dont les propriétés spectroscopiques sont hors d’atteinte. Grâce à une collaboration entre le Laboratoire interactions, dynamique et lasers – LIDyL (CEA), le Centre lasers intenses et applications - CELIA (CNRS/CEA/Univ. Bordeaux), le synchrotron SOLEIL, et le Laboratoire collisions, agrégats, réactivité - LCAR (CNRS/Univ. Toulouse 3) nous venons de mettre au point une nouvelle source réalisable en laboratoire et qui délivre des impulsions brillantes, cohérentes, ultrabrèves et de polarisation quasi-circulaires dans l’ultraviolet extrême. Pour cela, nous avons utilisé la génération résonante d’harmoniques d’ordre élevé émises par un gaz soumis à des impulsions laser intenses. Aujourd’hui, de la lumière polarisée circulairement n’est produite dans cette gamme de rayonnement que par quelques grands instruments comme les synchrotrons et, à l’exception notable de quelques lasers à électrons libres, uniquement de manière quasi-continue. Les propriétés de polarisation spécifiques de cette nouvelle source laissent envisager des études pompes sonde de processus ayant lieu dans des molécules chirales, c’est-à-dire les molécules qui ne sont pas leur propre image dans un miroir. Le rôle prépondérant de ces molécules en chimie organique et biologie laisse entrevoir de nombreuses applications.

 

http://www.nature.com/nphoton/journal/v9/n2/full/nphoton.2014.314.html

 

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