Les lasers femtosecondes sont aujourd’hui les sources de lumière les plus intenses sur Terre, avec une puissance qui peut atteindre celle du rayonnement solaire sur une surface grande comme l'Australie mais qui peut être focalisée sur des taches ayant le diamètre d'un cheveu. Ces sources de radiation extrêmes sont un outil précieux pour l’étude de la matière dans des conditions exotiques, mais aussi comme "driver" de sources secondaires de particules ou de lumière compactes et ultra-brèves.



Malgré ces propriétés exceptionnelles, les lasers femtosecondes n'ont toujours pas l’intensité requise pour explorer de nouveaux régimes fondamentaux où l'interaction laser-matière ou laser-vide quantique devient dominée par des effets d'électrodynamique quantique (QED) en champ fort. Ces régimes QED se retrouvent par exemple autour de certains objets astrophysiques comme les trous noirs et les étoiles de neutrons. En outre, les lasers femtosecondes ont typiquement une longueur d’onde de ~ 1 micromètre et certaines applications d’intérêt technologique (e.g., la gravure de semiconducteurs) requièrent des longueurs d’onde bien plus petites, de l’ordre de la dizaine de nanomètres.



Pour manipuler les propriétés des lasers femtosecondes et franchir ces barrières, nous étudions des dispositifs optiques appelés “miroirs plasmas relativistes”, qui peuvent convertir une impulsion laser en rayonnement X-UV, tout en augmentant considérablement son intensité ("booster") par effet Doppler.



Ce projet de thèse multi-disciplinaire concerne l’optimisation du système physique 'miroir plasma' dans le but d'améliorer les propriétés des faisceaux lasers boostés et de permettre l'utilisation de ces lasers boostés pour les applications susmentionnées.



L’activité s'appuiera sur des simulations numériques de type Particle-In-Cell avec le code open-source ‘WarpX’ sur les derniers superordinateurs de classe exascale pour déterminer les paramètres optimaux pour la génération de faisceaux boostés. Une activité auxiliaire de développement du code est envisagée pour supporter les campagnes de simulation. Les simulations seront essentielles pour guider des expériences qui seront réalisées sur notre installation laser de classe 100 TW , UHI100, au contraste temporel maîtrisé, élément essentiel à la réalisation de ce type d’expériences puis ensuite  sur laser de classe PW (e.g. Apollon à l’École Polytechnique ou d’autres installations à l’international).



Le(a) doctorant(e) aura l'opportunité de participer aux activités d'une équipe dynamique avec de fortes collaborations nationales et internationales. Il/elle acquerra également les compétences nécessaires pour participer à des expériences d'interaction laser-plasma dans des installations d'envergure internationale. Enfin, il/elle acquerra les compétences nécessaires pour participer au développement d'un logiciel complexe écrit en C++ moderne et conçu pour utiliser efficacement les superordinateurs plus puissants au monde. L’activité de développement sera realisé en collaboration avec l’équipe guidée par le Dr. J.-L. Vay à LBNL (US).



Bibliographie:

> A.Myers et al. “Porting WarpX to GPU-accelerated platforms” Parallel Computing, 108, 102833, 2021

> L.Fedeli et al. “Probing Strong-Field QED with Doppler-Boosted Petawatt-Class Lasers” Phys. Rev. Lett. 127, 114801, 2020

> H.Vincenti “Achieving Extreme Light Intensities using Optically Curved Relativistic Plasma Mirrors” Phys. Rev. Lett. 123, 105001, 2019

> H Vincenti et a. “Optical properties of relativistic plasma mirrors” Nat. Comm. 5 : 3403, 2014