Surface structurée et impulsion laser femtoseconde, pour une émission de protons de haute énergie

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.

Parmi ces cibles “structurées”, un cas particulièrement intéressant est celui de cibles solides présentant une modulation régulière de la surface comme celle que l'on peut trouver sur des réseaux de diffraction optique. Cette structure périodique permet, à condition de bien choisir l’angle d’incidence, de coupler de façon résonnante l’onde électromagnétique laser avec des ondes d’oscillations électroniques de surfaces (plasmons)[1]. Ce mécanisme a été déjà démontré expérimentalement dans le passé mais est resté limité à des intensités laser relativement modestes (< 1017 W/cm2). En effet le fond d'intensité (piedestal) précédant l’impulsion laser femtoseconde délivrée par les lasers CPA (Chirped Pulse Amplification), est suffisant pour détruire les structures de surface avant l'arrivée de l'impulsion principale. La possibilité du couplage à haute intensité laser avec les plasmons (oscillations collective des électrons) a été néanmoins suggérée par des simulations PIC[2] qui montrent une augmentation de l'absorption et de la production d'électrons énergétiques[3],[4] qui entraine à son tour, une augmentation de l'énergie des protons accélérés à la surface arrière de la cible[5] par le mécanisme d’accélération TNSA (Target Normal Sheet Accélération) (voir figure 1).

La mise en évidence expérimentale du couplage des cibles structurées en réseau avec des ondes de surface en régime relativiste était le but principal de l'expérience que nous avons réalisé à Saclay et qui a impliqué différentes équipes françaises et européennes, dans le cadre du network Laserlab-Europe[6]. Le laser UHI100 dont dispose l’IRAMIS a permis d'atteindre ce résultat puisqu'il a pour caractéristique un contraste (défini comme le rapport entre l'intensité du pic principal et celle du piédestal) suffisamment élevé (> 10¹⁰) pour que la cible reste intacte jusqu’à l’arrivée de l’impulsion femtoseconde, même pour les plus hautes intensités utilisées (> 10¹⁹ W/cm²). Pour une puissance laser de 2.5 10¹⁹W/cm² et un angle d'incidence de 30°, des protons de 5 MeV ont été obtenus, soit une énergie 2.5 fois plus grande que celle obtenue sur des cibles non structurées.

Ainsi, disposant d'impulsions laser intense, de courte durée et présentant un contraste élevé, nous avons pu montrer pour la première fois que l’excitation d’une onde de surface permet d’augmenter notablement l’énergie des protons émis[7]. L’utilisation d'une surface solide modulée, permettant l’excitation d’une onde électronique de surface lors de l’interaction avec une impulsion laser ultra courte et intense[8], est donc un moyen prometteur pour augmenter l’efficacité du couplage avec les particules chargées du plasma formé. Ceci ouvre des perspectives intéressantes pour le chauffage isochore (à volume constant), l’imagerie et la proton thérapie[9].

Dans ce cadre, de nouveaux projets expérimentaux sont en cours de développement (projet ExERCISE de construction d'un spectromètre électronique, financé par le Labex PALM). De plus la possibilité d’avoir un mécanisme d’absorption de la lumière dans le plasma très efficace en présence d’excitations d’ondes plasma de surface est une question extrêmement importante compte tenu des enjeux futurs vis-à-vis de la production de particules rapides et des prochaines infrastructures laser à très hautes intensités (>10²² W/cm²) développées sur le plateau de Saclay (Equipex CILEX, laser APOLLON).

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Références :

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Contact CEA : T. Ceccotti IRAMIS/SPAM

Collaboration :