Résumé :
L’interaction d’une impulsion laser de très haute intensité avec une surface modulée périodiquement permet dans certaines conditions d’augmenter le couplage laser-cible et d’exciter des oscillations collectives d’électrons à la surface, appelées les ondes plasma de surface (SPW). L’étude et l’exploitation de ces ondes de surface constituent l’un des fondements de la plasmonique. Une de leurs propriétés intéressantes est que ces ondes induisent des champs électromagnétiques extrêmement localisés et intenses. Dans un plasma très surdense, ces ondes se propagent avec une vitesse de phase proche de celle de la vitesse de la lumière et sont capables d’accélérer, le long de la surface de la cible, des paquets d’électrons à de grandes énergies. Le développement d’installations laser multi-petawatt à impulsions courtes permettant d’atteindre des intensités de l’ordre de 1022 − 1023 W/cm2, comme Apollon, rend aujourd’hui possible l’exploration de régimes d’onde de surface d’intensité de plus en plus élevés. Dans ce contexte, l’extension de l’étude de la plasmonique vers ces régimes de très haute intensité, où les effets non linéaires et relativistes entrent progressivement en jeu, est d’un intérêt fondamental pour la physique de l’interaction laser-plasma.
L’objectif de ce travail de thèse est d’explorer théoriquement et numériquement, au travers de simulations Particle-in-Cell réalisées avec le code SMILEI, la génération de faisceaux d’électrons rapides dans l’interaction laser solide via l’excitation de SPW ou de modes électromagnétiques localisés à la surface dans des régimes laser ultra relativistes. Les résultats originaux de cette thèse sont déclinés au travers de trois études complémentaires. Dans un premier temps, nous avons proposé un schéma inédit permettant de piloter la durée et l’intensité du SPW et par conséquent les caractéristiques du faisceau d’électrons ; obtenant ainsi des paquets d’électrons ultracourts (quelques fs) ayant une charge de quelques dizaines de pC à des énergies de plusieurs dizaines de MeV. Dans un deuxième temps, nous avons identifié les paramètres clés pour optimiser le couplage laser-plasma dans le régime ultra-relativiste (> 1021 W/cm2) afin d’assurer l’excitation des électrons par SPW.
En effet, l’adoption d’un réseau plus profond et d’une densité de plasma plus importante, permet l’excitation la survie des SPW dans les régimes de très haute intensité. Dans ce cas, les électrons subissent alors de très forte accélérations et émettent de grandes quantités de rayonnement électromagnétique sous la forme de photons X et gamma. La troisième étude est ainsi consacrée à l’étude de ce rayonnement. L’ensemble de ces résultats ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de sources compactes de particules et de rayonnement énergétiques.
Mots-clés : Plasma, Simulation, Onde de surface, Accélération des électrons.
Plasmonics in ultra relativistic regime
Abstract:
The proliferation of short-pulse multi-Petawatt laser facilities around the world motivates the exploration of increasingly higher field regimes and more important particle acceleration as experiments with intensities exceeding 10^24 W/cm^2 will soon become available. In this new era of ultra-intense relativistic laser-plasma interaction physics, the extension of the study of plasmonics towards higher intensity regimes, where nonlinear and relativistic effects progressively come into play, is of fundamental interest for the physics of relativistic plasmas. Previous experiments have shown that the resonant excitation of surface plasma waves (SPW) by ultra-high intensity fs lasers impinging on a solid-density structured target strongly enhances the laser-plasma coupling and can efficiently accelerate electrons. When extending the regime of ultra-high laser intensity interaction beyond 1021 W/cm2, we might obtain SPW with extremely large amplitudes at the over-dense plasma surface, potentially allowing to obtain unprecedentedly high currents of energetic electrons.
The aim of the present PhD work is to explore theoretically and numerically, through Particle-in-Cell simulations performed with SMILEI, the generation of these fast electron beams in relativistic laser-solid interaction by using properly-structured targets whose surface characteristics allow SPW excitation or local electromagnetic modes in increasingly relativistic laser regimes. In this work we propose a novel set-up which permits to tune SPW duration and intensity and consequently the electron bunch characteristics. Indeed, by impinging a laser with wavefront rotation (WFR) on a smart grating design, we both shorten the duration (down to very few optical cycles) and increase the intensity of SPW, thus favoring the production of ultra-short, energetic electron bunches. In the laser-plasma relativistic regime of interaction (1021 W/cm2), we show that such SPW are found to accelerate high-charge (few 10’s of pC), high-energy (up to 70 MeV), and ultra-short (few fs) electron bunches.
Extending the research to the ultra-relativistic regime (> 1021 W/cm2), we have identified the key parameters to ensure the excitation and survival of these surface plasma waves. The produced electron bunches experience strong acceleration, therefore emitting large amounts of electromagnetic radiation with interesting characteristics such as directionality, brightness, spectral range etc. Furthermore, when comparing the photon emission in different set-up geometries, we notice that the set-up favouring SPW excitation also emit photons with higher energies with respect to the case favouring direct laser vacuum acceleration. This proves that SPW may generate innovative ways to manipulate and amplify high power laser light pulses, paving the way to ground-breaking ultra-short synchronized light and electron sources which could find applications in the exploration of ultra-fast electronic processes, free electron laser or the production of XUV rays. In addition, we propose the implementation of a diagnostic, based on the Lienard Wiechert potentials, complementing the pre-existing radiation modules in SMILEI. The implementation of this radiation is not only interesting for the study of SPW excitation and electron acceleration in the ultra-relativistic regime, but also for the investigation of betatron radiation and high harmonic generation among many others.
Keywords: Plasma, Simulation, Surface wave, Electron acceleration.
