La plasmonique étudie le couplage entre le rayonnement électromagnétique et les oscillations collectives des électrons dans un matériel. Les plasmons de surface (SPs), notamment, ont la capacité́ de concentrer le champ électromagnétique sur des distances micrométriques, ce qui les rend intéressants pour le développement des dispositifs photoniques les plus novateurs. Etendre l’excitation de SPs au régime de champs enlevés, où les électrons oscillent à des vitesses relativistes, ouvre des perspectives stimulantes pour la manipulation de la lumière laser ultra-intense et le développement de sources de rayonnement énergétiques et à courte durée. En fait, l’excitation de modes résonnants du plasma est l’une des stratégies possibles pour transférer efficacement l’énergie d’une impulsion laser ultra-puissante à une cible solide, cela étant parmi les défis actuels dans la physique de l’interaction laser- matière à haute intensité́.
Dans le cadre de ces deux sujets, ce travail de thèse démontre la possibilité́ d’exciter de façon résonnante des plasmons de surface avec des impulsions laser ultra- intenses. Elle étudie comment ces ondes peuvent à la fois accélérer de paquets d’électrons relativistes le long de la surface de la cible mais aussi augmenter la génération d’harmoniques d’ordre élevé́ de la fréquence laser. Ces deux processus ont été́ caractérisés avec de nombreuses expériences et simulations numériques. En utilisant un schéma d’interaction standard de la plasmonique classique, les SPs sont excités sur des cibles dont la surface présente une modulation périodique régulière à l’échelle micrométrique (cibles réseau). Dans ce cas, les propriétés de l’émission d’électrons tout comme celles des harmoniques permettent d’envisager leur utilisation dans des applications pratiques.
En réussissant à dépasser les principaux problèmes conceptuels et techniques qui jusqu’à présent avaient empêché́ l’application d’effets plasmoniques dans le régime de champs élevés, ces résultats apportent un intérêt nouveau à l’exploration de la plasmonique relativiste.
Mots clés : Interaction laser-plasma, Plasmons de surface, Accéleration d’électrons, Génération d’harmonique d’ordre élevé
Relativistic plasmonics for ultra-short radiation sources
Abstract :
Plasmonics studies how the electromagnetic radiation couples with the collective oscillations of the electrons within a medium. Surface plasmons (SPs), in particular, have a well-established role in the development of forefront photonic devices, as they allow for strong enhancement of the local EM field over sub-micrometric dimensions. Promoting the SP excitation to the high-field regime, where the electrons quiver at relativistic velocities, would open stimulating perspectives for the both the manipulation of ultra-intense laser light and the development of energetic, short radiation sources. Indeed, the excitation of resonant plasma modes is a possible strategy to efficiently deliver the energy of a high-power laser to a solid target, this being among the current challenges in the physics of highly-intense laser-matter interaction. Gathering these topics, this thesis demonstrates the opportunity of resonant surface plasmon excitation at ultra-high laser intensities by studying how such waves accelerate bunches of relativistic electrons along the target surface and how they enhance the generation of high-order harmonics of the laser frequency.
Both these processes have been investigated with numerous experiments and extensive numerical simulations. Adopting a standard configuration from classical plasmonics, SPs are excited on solid, wavelength-scale grating targets. In their presence, both electron and harmonic emissions exhibit remarkable features that support the conception of practical applications.
Putting aside some major technical and conceptual issues discouraging the applicability of plasmonic effects in the high-field regime, these results are expected to mark new promises to the exploration of relativistic plasmonics.
Keywords: Laser-Plasma interaction, Surface plasmons, Electron acceleration, High order harmonic generation
Groupe Physique à Haute Intensité/PHI