L’efficacité d’un bon réseau, même transitoire, pour renforcer le couplage impulsion laser-plasma

Les recherches sur l’interaction laser-matière à très haute intensité ont deux motivations principales : la compréhension, dans ce régime extrême, de l’interaction fortement non-linéaire entre lumière et matière et l'exploration de ses applications potentielles. Par une technique originale, les équipes de la collaboration proposent une méthode pour améliorer le couplage entre le faisceau intense de lumière incident et le plasma formé à la surface d'une cible solide. Plusieurs enjeux sont visés : obtenir des faisceaux de particules énergétiques [1], ou de nouvelles sources de lumière aux propriétés remarquables [2], pouvant fournir des flashs de rayons X ultrabrefs [3].

Un des objectifs des expériences menées par notre collaboration de recherche est d'optimiser le transfert d'énergie lumineuse du faisceau laser vers le plasma créé lors de l'interaction avec une cible solide. Pour ceci, on cherche à maximiser l'amplitude du champ laser sur la cible, et son couplage avec le plasma. Un premier moyen d’y parvenir consiste à utiliser des cibles solides dont la surface est spatialement structurée. La présence de structures périodiques permet de coupler le champ laser à des modes collectifs d’excitation électronique, ou plasmons de surface, qui renforcent l'absorption de la lumière laser. Il est aussi connu que des structures spatiales abruptes peuvent fortement augmenter, par effet de pointe, le champ local sur la cible. Tous ces phénomènes tendent à augmenter l’énergie des particules rapides accélérées au sein du plasma.

Expérimentalement, une première difficulté est de parvenir à préserver intactes ces fines structures spatiales jusqu’au maximum de l’impulsion laser intense, sans qu’elles soient totalement détruites dès le début de l'impulsion. Le groupe PHI a récemment démontré que cela était possible, en obtenant la première mise en évidence de l’excitation de plasmons de surface à ultra-haute intensité laser (laser UHI 100 de l'IRAMIS), sur des feuilles micrométriques modulées en surface¹, grâce à des impulsions laser temporellement épurées à l’aide d’un double miroir plasma [4]. Ces études sont cependant basées sur l’utilisation de cibles pré-structurées avant l’interaction avec le laser, ce qui présentel'inconvénient d'une préparation complexe, alors que la cible est détruite au point d'impact de chaque tir laser.

Le groupe PHI vient de démontrer qu’il est également possible de créer optiquement des plasmas spatialement structurés à la surface de cibles solides non préparées. La démonstration expérimentale initiale a été réalisée avec le laser UHI100 en créant optiquement des réseaux plasmas sinusoïdaux à la surface de cibles de silice. Le principe est de créer un premier plasma sur la cible à l’aide d’une pré-impulsion suffisamment intense. Le plasma ainsi créé se détend vers le vide, à une vitesse fonction de sa température, et donc de la fluence locale (énergie par unité d'aire) de la pré-impulsion. En modulant spatialement la fluence incidente, la vitesse de détente est spatialement modulée et un plasma de surface structuré se développe alors dans le temps. Ceci est simplement obtenu en faisant interférer spatialement deux faisceaux laser impulsionnels (Fig. 1, gauche). Des simulations hydrodynamiques confirment cette approche : un réseau plasma transitoire se développe effectivement après l’ionisation de la cible par la superposition des deux faisceaux (Fig. 1, droite) (voir le film de la simulation).

Expérimentalement ces réseaux plasmas transitoires, qui ne durent que quelques picosecondes, peuvent être étudiés en superposant sur la cible une impulsion principale très intense, de 100 fs à quelques ps après la pré-impulsion initiale (voir Fig. 1, gauche). Le plasma dense initial formé par la pré-impulsion réfléchit l'impulsion intense et induit la génération d’harmoniques d’ordre élevé de la fréquence laser, du fait de la non-linéarité de l’interaction (Fig. 2, gauche). En présence d'une modulation du plasma de surface, par l'interférence de deux pré-impulsions, ces harmoniques de courte longueur d’onde sont diffractées et une figure caractéristique est clairement observée sur le profil spatial de ces harmoniques (Fig.2 droite). Pour une pré-impulsion unique, formant un plasma non structuré, la figure de diffraction n'est plus observée (Fig.2 gauche).

Cette nouvelle approche du couplage entre impulsion laser et plasmas de surface apparait comme très prometteuse, car elle permet de créer des structures spatiales complexes, dont on peut faire varier les paramètres simplement en modifiant les propriétés d’un faisceau laser de structuration, et ceci pour des cibles de toute nature.