Interaction laser-matière : Matière sous conditions extrêmes
Interaction laser-matière : Matière sous conditions extrêmes

L'effet Miroir Plasma sur un diélectrique : l'impulsion laser incidente est si intense qu'elle est réfléchie par le solide initialement transparent. Cet effet est ici étudié par une technique interférométrique (P. Martin, SPAM).

 

"Matière sous conditions extrêmes" (LIDyL) se composent de trois groupes de recherche

 

Attophysique

Le groupe ATTO étudie la production par génération d'harmoniques d'ordre élevé dans un gaz d'impulsions de lumière dans l'extrême UV (10-100nm), de durée ultra-brève, typiquement une centaine d'attosecondes (1as=10-18s).......

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Physique à Haute Intensité

Le groupe PHI étudie la physique de l'interaction laser-matière en régime ultra-relativiste et à ultra-haut contraste .....

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Matière à Haute Densité d'Energie

Le groupe MHDE s'intéresse aux propriétés électroniques et radiatives (émissivité, opacité, ...) des plasmas denses et chauds .....

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#146 - Màj : 24/05/2014
Faits marquants scientifiques
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.

 

Contact CEA : Hamed Merdji

Pour obtenir une image d'un objet, il suffit usuellement de l'éclairer et d'enregistrer la lumière diffusée qui parvient à un détecteur. Si l'image est formée à l'aide d'un objectif, l'optique utilisée impose de nombreuses limitations (résolution, aberrations...). Pour atteindre les résolutions ultimes : spatialement (fonction de la longueur d'onde du rayonnement utilisée) et temporellement (fonction de la durée du "flash"), une technique possible, sans optique, est la diffraction cohérente. En utilisant un faisceau cohérent comme celui d'un laser, on observe en effet une modulation du signal liée aux interférences, permettant de reconstruire numériquement l'image exacte de l'objet avec une précision inégalée. Pour atteindre des résolutions nanométriques voire atomique, on cherche donc à éclairer et enregistrer l'image avec un faisceau de rayons X cohérent (rayonnement laser de longueur d'onde nanométrique). Le faible éclairement moyen demande usuellement de longues accumulations sur plusieurs tirs lasers. Des progrès récents ont permis d'obtenir des images avec un seul tir femtoseconde (10-15 s) issu d'un laser de laboratoire, ouvrant la voie à des études résolues en temps.

Pour des arrangements réguliers d'objets élémentaires, la diffraction de Bragg dans le domaine X est une technique très puissante de caractérisation de la matière à l'échelle atomique. Elle constitue le principal outil de la cristallographie. L'information contenue dans la diffraction de Bragg est riche : si a est la taille caractéristique de l'objet élémentaire, alors les pics de Bragg sont distants de 1/a dans l'espace réciproque. Une partie de l'information est cependant perdue : en effet, la fréquence maximale à laquelle on peut échantillonner la figure de diffraction est inférieure à la fréquence de Nyquist (2a). En particulier, si l'objet élémentaire a une amplitude et une phase, la diffraction de Bragg ne permettra pas de déterminer la phase.

Fabien Quéré et le Groupe Physique à Haute Intensité (PHI) - IRAMIS – Service des Photons, Atomes et Molécules (SPAM)

Depuis l'invention du laser on cherche à obtenir des faisceaux de longueur d'onde de plus en plus courte, dans le domaine des rayons X. Une des manières de produire du rayonnement XUV est de focaliser un laser intense dans un milieu matériel. Celui-ci réagit à la très forte sollicitation extérieure de manière non-linéaire, ce qui se traduit par l’émission d’harmoniques d’ordres élevés de la fréquence fondamentale excitatrice.

On  utilise depuis une quinzaine d’années des systèmes atomiques ou moléculaires pour jouer ce rôle de convertisseur de fréquence. C’est la génération d’harmonique dans les gaz (voir le fait marquant du 13 mai 08 : "Des molécules pour contrôler les impulsions lumineuses à l'échelle attoseconde"). Ces harmoniques ont des propriétés temporelles et spatiales particulièrement intéressantes qui se traduisent dans le domaine temporel par la génération de trains d’impulsions attosecondes, et dans le domaine spatial par une excellente cohérence. En un sens, les propriétés de ce rayonnent XUV calquent celles du laser excitateur.

Depuis peu, une autre manière de générer ces fréquences élevées est en plein développement. Il s’agit d’utiliser la surface d’un solide, autrement appelé un "miroir plasma" (voir le fait marquant de septembre 2006 : "Les miroirs plasmas : de la physique des conditions extrêmes aux nouvelles sources de lumières") et d’y focaliser un laser de très haute intensité (>1017 W/cm2).

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.

Fabien Quere et le Groupe Physique à Haute Intensité (PHI) - DRECAM – Service de Physique des Atomes et des Molécules (SPAM)

Que se passe t-il lorsqu'un miroir (morceau de verre) est soumis à des impulsions ultra-brèves et ultra-intenses, telles que ses électrons oscillent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière ? Ces conditions peuvent être obtenues lors de la seconde réflexion d'une impulsion laser sur un miroir plasma. Les électrons relativistes obtenus autorisent la génération d'harmoniques élevées au delà de la fréquence plasma maximale que peut supporter le milieu sans être totalement ionisé. De telles sources de lumière sont indispensables au développement de la physique à l'échelle de "l'attoseconde" et de l’optique non-linéaire dans le domaine X.

 

Le principe du miroir est a priori très simple : il suffit de se mettre devant pour voir son image. Comprendre dans le détail son fonctionnement est déjà plus difficile, et il a fallu attendre le début du XXème siècle et la théorie de Drude pour en avoir une idée plus précise dans le cadre des champs électromagnétiques de très faible amplitude.

Que se passe t-il lorsque ce même miroir est soumis à des impulsions ultra-brèves et ultra-intenses, lorsque ces conditions extrêmes conduisent ses électrons à osciller à des vitesses proches de la vitesse de la lumière ? C’est à ce type de questions que les physiciens du groupe PHI du SPAM cherchent à répondre.

Bien que les laser ultra-intenses existent depuis une bonne dizaine d’années, ce type d’étude n’était pas accessible car les impulsions délivrées étaient accompagnées d’un fond continu de rayonnement électromagnétique relativement long (plusieurs ns) et suffisamment intense pour détruire le miroir avant même l’impact de l’impulsion centrale ultra-brève dont seule l’action est intéressante. Ce rapport d’intensité entre le "pic" de l’impulsion et ce rayonnement parasite, appelé le contraste du laser, était donc très défavorable. Le groupe PHI a récemment trouvé une solution à cette difficulté majeure en étudiant un  "Miroir à Plasma" qui permet d’augmenter ce contraste d’un facteur 100. En utilisant successivement 2 miroirs plasma, soit un "double miroir plasma", le gain obtenu supérieur à 10 000 permet de s’affranchir du rayonnement de fond parasite, rendant ainsi accessible l’étude des phénomènes de réflexion métallique dans le domaine relativiste.

Comme dans notre miroir classique, le faisceau réfléchi dans la direction spéculaire (Figure 1) nous apporte des informations sur le comportement de la surface réfléchissante.

Gilles Doumy & le groupe PHI, CEA Saclay, DSM/DRECAM/Service de Physique des Atomes et des Molécules (SPAM)

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.

 

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