Introduction
Depuis plus de 15 ans notre groupe s’intéresse au miroir plasma, un objet d’étude du couplage fin entre les lasers avec des impulsions brèves et intense et la matière. A haute intensité (>1016W/cm2), ils génèrent des sources de rayonnement UV-X attosecondes, dans la direction spéculaire du laser incident, dont l’étude renseigne sur la dynamique ultrarapide du plasma créé. Ils permettent également,
en tant que tels, de générer des sources de particules, et en particulier des paquets d’électrons relativistes de forte charge, et couplés à une source gazeuse de produire des injecteurs de qualité pour les applications. Le couplage entre les expériences et les simulations a permis de d’obtenir des résultats majeurs dans le domaine, dont les plus récents sont présentés dans la suite.
représentation schématique de la physique des miroirs plasmas
Lors de l’interaction avec un faisceau laser intense, les miroirs plasmas réfléchissent le faisceau laser incident dans la direction spéculaire avec une réflectivité supérieure à 70% (image en bas à gauche). Le couplage hautement non linéaire avec le champ (image en haut à gauche-extraite de simulations PIC) mène à l’émission de faisceaux harmoniques d’ordre élevé et d’électrons relativistes. Une image typique de ces faisceaux est présentée au centre, et leur distribution spectrale respective sur les images de droite (issues d’expérience sur la plateforme UHI100)
Les miroirs plasmas sont également pressentis comme dispositifs permettant de booster l’intensité laser des systèmes PW actuels, dans l’espoir d’atteindre un jour la limite de Schwinger et étudier les processus d’électrodynamique quantique en champ fort.
Dynamique Chaotique
Une collaboration entre les équipes du LIDYL au CEA Saclay et de l’ATP du Lawrence Berkeley National Lab (LBNL) a permis d’élucider les mécanismes d’absorption d’un faisceau laser ultra-intense, lors de sa réflexion sur un plasma dense formé à la surface d’une cible solide.
Ces mécanismes, jusqu’alors non identifiés pour des intensités lasers > 1018 W.cm-2, interviennent dans de nombreux processus laser-plasma, tels que la production de faisceaux d’électrons
et d’ions relativistes ou de faisceaux de lumière de courte longueur d’onde (émission d’harmoniques Doppler d’ordre élevé), aux multiples applications (spectroscopies, irradiations, médecine…).
La compréhension fine de ces mécanismes, rendue possible grâce la combinaison de résultats expérimentaux et numériques de premier plan, permettra d’optimiser ces nouvelles sources de particules et de lumière.
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Les méthodes de compression temporelle des impulsions lasers de forte puissance permettent d’obtenir des impulsions de durée femtosecondes (10-15 s) et d’atteindre ainsi des intensités extrêmes (I > 1018 W.cm-2), avec lesquelles on peut explorer l’interaction lumière-matière, dans des conditions jusqu’alors inconnues. Lorsque de telles impulsions laser sont focalisées sur une cible solide, celle-ci est quasi-instantanément ionisée en surface et forme un plasma dense en électrons, réfléchissant pour le champ laser incident.
Dans la présente étude, une collaboration entre des chercheurs du CEA Saclay et du LBNL révèlent que le paramètre crucial pour décrire le mécanisme de couplage entre une impulsion laser et un plasma en régime relativiste est la longueur de gradient L, caractéristique de l’expansion spatiale du plasma. La valeur de L peut être ajustée en prélevant une partie de l’impulsion principale pour obtenir une préimpulsion d’intensité bien définie, qui suivant un chemin optique plus court, peut atteindre la cible avant l’impulsion principale et avec une avance réglable. Cette première impulsion crée un plasma initial, dont la densité et l’expansion sont ainsi contrôlés de façon très fine. Une meilleure maitrise de la qualité des deux impulsions lasers de haut contraste successives a permis aux chercheurs de mettre en lumière deux régimes bien distincts de couplage du plasma avec l’impulsion laser principale, l’un se produisant pour des longueurs de gradient L bien plus courtes que la longueur d’onde laser (L << λ), l’autre pour des longueurs proches de la longueur d’onde laser (L ≈ λ). La combinaison de ces résultats expérimentaux avec des simulations Particle-In-Cell 2D et 3D à l’aide du code WARP/PICSAR ont par la suite permis d’élucider les deux mécanismes plasmas d’absorption.
Pour les courtes longueurs de gradients L, le champ laser se réfléchit sur un plasma encore confiné et très dense, qui joue le rôle de « miroir plasma« . Dans ce régime, les électrons sont périodiquement expulsés par le champ laser puis ré-accélérés vers l’intérieur du plasma, en absorbant une fraction significative de l’intensité laser. Ce mécanisme est appelé « ‘mécanisme de Brunel« .
Pour des valeurs de L plus élevées, de l’ordre de la longueur d’onde laser, une bonne partie des électrons à l’interface vide-plasma, se trouvent dans une zone de densité sous-critique, dans laquelle le champ incident peut se propager sans réflexion. Ils se retrouvent alors soumis au champ d’interférence entre le champ laser incident et le champ laser réfléchi sur la partie plus interne et plus dense du plasma. Dans ce régime, la dynamique des électrons devient chaotique et ces derniers sont chauffés par chauffage stochastique. Ce processus est illustré Figure ci dessus où sont représentés les trajectoires des électrons du plasma dans l’espace des phases (x, px) lors de l’interaction : x représente la coordonnée normale à la surface du plasma et l’échelle de couleur correspond à la position initiale des électrons dans la cible, ce qui permet d’identifier leurs trajectoires. Cet espace des phases montre une dynamique d’étirement et repliement, aussi appelé ‘pétrissage optique’, responsable de l’apparition de structures en feuillets qui sont une signature claire de l’émergence du chaos lors de l’interaction. Du fait de cette dynamique, deux électrons initialement proches dans l’espace des phases exhibent des trajectoires singulièrement différentes en quelques cycles optiques.
Ces résultats montrent le rôle majeur de la longueur de gradient L dans le mécanisme de couplage. La compréhension fine de ces mécanismes, rendue possible grâce la combinaison de résultats expérimentaux et numériques, permettra d’optimiser les sources de particules et de lumière issues de l’interaction laser-plasma, aux multiples applications.
Publication
L. Chopineau, A. Leblanc, G. Blaclard, A. Denoeud, M. Thévenet, J-L. Vay, G. Bonnaud, Ph. Martin, H. Vincenti, and F. Quéré,
Phys. Rev. X 9 (2019) 011050.
Cibles réseaux
L’excitation résonnante d’onde de surface pour booster la génération d’harmoniques sur miroir plasma
La plateforme UHI100 permettant de travailler avec des faisceaux laser intenses à haut contraste temporel, nous avons pu explorer la dynamique de l’interaction laser-matière en régime relativiste sur des cibles structurées (des miroirs plasmas « réseaux ») et avons observé pour la première fois expérimentalement une amélioration de la génération d’harmoniques d’ordre élevé induite par des plasmons de surface (SP) sur des cibles en réseau soumises à des intensités relativistes.
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Nos résultats dévoilent le rôle significatif de l’excitation des SP dans la réduction de la perte d’intensité subie par les HHG dispersées par le réseau. Ce phénomène n’augmente pas seulement l’efficacité de la génération de certains ordres harmoniques, mais préserve également leur séparation angulaire par rapport à la fréquence fondamentale du laser. L’accélération simultanée des électrons témoigne de la persistance des effets plasmoniques à des intensités relativistes, même en présence de gradients de densité contrôlés nécessaires pour atteindre une génération efficace d’HHG. Cela introduit une nouvelle dimension à notre compréhension de l’excitation résonante relativiste des ondes de plasma de surface créées par laser, promettant de nouvelles perspectives sur l’interaction complexe entre la lumière et la matière à des intensités extrêmes.
A gauche, le spectre des harmoniques obtenu à partir d’une simple cible plane (FLAT), collecté dans la direction spéculaire à celle du laser incidente (45°). A droite, le même laser est focalisé sur une cible réseau (G30) à l’angle de résonance (~35°) et collecté dans une direction proche de la tangente à la cible (87°). Le spectre provenant de la cible G30 est composé d’harmoniques d’ordre plus élevé que sur la cible plane (∼ 40). Certaines harmoniques sont d’intensité aussi élevée (harmoniques de 12 à 15) voire plus élevée (harmoniques de 18 à 21) que celles obtenues avec la cible plane. La modulation d’intensité est causée par la diffraction, pour laquelle seules les harmoniques qui satisfont l’équation de réseau sont émises le long de la direction d’observation choisie.
MP comme injecteur d’électrons de haute charge (VLA)
Les Miroirs Plasma : source d’électrons relativistes de haute charge accélérés par laser dans le vide
A ultra haute intensité (I>1016 W/cm2), la réponse du miroir plasma (MP) soumis au champ laser devient très non linéaire, menant à la génération d’harmoniques d’ordre élevé de la fréquence du laser incident dans le faisceau réfléchi, associé dans le domaine temporel à un train d’impulsions atttosecondes intenses. Le groupe PHI a défriché cette thématique depuis maintenant une quinzaine d’années. Le mécanisme principal menant à cette émission, l’émission cohérente de sillage ou Coherent Wake Emission(CWE) d’une part et le Miroir Oscillant Relativiste (Relativistic Oscillating Mirror d’autre part, sont bien identifiés et qualitativement compris.
Corrélés à l’émission harmonique et proches de la direction du laser réfléchi dans la direction spéculaire, des faisceaux d’électrons relativistes (≈ 10 MeV d’énergie pour I = 3 × 10¹⁹ W/cm², voir Fig. 1) sont également accélérés dans la direction du vide. À ce jour, les études expérimentales sur cette émission d’électrons dans des conditions de champ laser ultra-intense (UHI) restent limitées, ce qui fait que les mécanismes sous-jacents demeurent mal compris.
Nous avons récemment révélé une caractéristique de cette émission [The15].
Publication associée
Injection d’électrons relativistes dans des champs laser ultra-intenses à l’aide de miroirs plasmas. Panneau a) : principe d’un injecteur de miroir plasma. Lorsqu’un faisceau laser ultra-intense (champ électrique esquissé en rouge et bleu) se réfléchit sur un miroir plasma, il expulse des électrons relativistes (points noirs) à des phases spécifiques du champ. Ces électrons interagissent ensuite avec le faisceau réfléchi dans le vide. Le panneau b) montre les trajectoires des électrons (lignes bleues) calculées à partir d’une simulation 2D PIC de l’interaction laser-plasma. Les électrons étaient initialement situés à proximité de la surface du miroir plasma. Une fois expulsés de la surface, ils co-propagent et interagissent avec le champ laser réfléchi sur une distance de l’ordre de la longueur de Rayleigh. Cette interaction modifie clairement la distribution angulaire des électrons, qui sont expulsés sur les côtés du volume focal.
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Les électrons sont éjectés de la surface du plasma sous forme de paquets attosecondes, avec une vitesse relativiste suivant la direction du champ laser réfléchi dans la direction spéculaire. Ces électrons co-propagent ensuite avec le faisceau laser réfléchi dans le vide et peuvent ainsi interagir avec lui sur des distances de l’ordre de la longueur de Rayleigh. Le motif spatial observé sur le faisceau d’électrons (voir figure 2) comporte des signatures claires de cette interaction et constitue l’une des preuves les plus directes à ce jour des processus tels que l’Accélération Laser dans le Vide (VLA, c’est-à-dire l’accélération directe des électrons par la lumière dans le vide, résultant en un pic lumineux dans le faisceau d’électrons à proximité de la direction spéculaire) et la diffusion des électrons par la force pondéromotrice relativiste (qui donne lieu à un « trou » dans le faisceau d’électrons autour de la direction spéculaire). En agissant comme injecteurs d’électrons dans le champ laser, avec des charges mesurées dans la gamme des 10 nC, les miroirs plasmas ouvrent ainsi pour la première fois la voie à l’étude de la dynamique des électrons relativistes libres dans des champs laser ultra-intenses. Il s’agit d’un sujet d’un grand intérêt fondamental, ayant motivé un travail théorique considérable au cours des dernières décennies, mais qui était jusqu’au milieu des années 2010 resté inaccessible expérimentalement.
Preuves expérimentales de l’accélération par laser dans le vide. La figure a) présente une distribution angulaire expérimentale typique des électrons émis par les miroirs plasma dans le vide. Cette distribution se compose d’un large cône d’émission (disque bleu), fortement modulé par deux motifs principaux. Le premier est un trou bien défini (en blanc) autour du faisceau laser réfléchi, dont la taille et la position dans le plan de détection sont indiquées par un cercle pointillé, provenant de l’éjection des électrons de l’axe laser par la force pondéromotrice après leur éjection du miroir plasma. Le second motif est un pic intense (en rouge), à droite au bord de ce trou, dû à l’accélération laser dans le vide d’une fraction de ces électrons. La figure b) montre les spectres des électrons mesurés à deux endroits distincts du faisceau. Ces emplacements sont indiqués par un cercle bleu et un carré noir dans la figure a), correspondant respectivement aux courbes bleue et rouge de la figure b). Les figures c) et d) présentent les mêmes données, mais obtenues à partir de simulations numériques basées sur un modèle 3D de particules test. La courbe en pointillée de la figure d) représente la distribution d’énergie des électrons initiale utilisée dans ce modèle.
Accélération efficace d’électrons dans le vide avec un champ laser longitudinal
Les chercheurs du groupe LIDYL et du LOA (Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA, ENSTA-X-CNRS) sont parvenus pour la première fois à accélérer des électrons par laser dans le vide (Vacuum Laser Acceleration – VLA) jusqu’à des énergies relativistes en utilisant un champ électrique longitudinal. Pour parvenir à ce résultat, la polarisation linéaire habituellement utilisée dans les expériences a été convertie en polarisation radiale, qui possède une structure idéale pour l’accélération par laser dans le vide et permet d’obtenir des faisceaux d’électrons mieux collimatés.
Compression spatio-temporelle des harmoniques
Premières mesures de la compression spatio-temporelle des harmoniques générées sur Miroir Plasma
En 2019, des simulations PIC (Particle In Cell) en trois dimensions prédisent qu’il est possible d’augmenter l’éclairement d’un laser après réflexion sur un miroir plasma (MP), à même de comprimer spatio-temporellement l’impulsion initiale. La validation expérimentale de ces prédictions constitue un enjeu majeur pour la communauté. En 2021, l’équipe PHI le vérifie expérimentalement grâce à des mesures réalisées sur la plateforme UHI100 qui permettent de caractériser spatio-temporellement les impulsions harmoniques (HHG) ultra-brèves issues de MP. Pour ce faire, une méthode originale novatrice est mise au point pendant la thèse de L. Chopineau, basée sur la ptychographie (méthode d’imagerie sans lentille), en y ajoutant une composante dynamique. La difficulté et l’originalité de la méthode résident dans la création d’un objet diffractant
modulable temporellement à l’échelle attoseconde et spatialement à l’échelle de l’empreinte du laser incident sur le MP, soit quelques microns. Un réseau optique transitoire, qui évolue continûment le long de la surface du MP est donc créé grâce un deuxième faisceau de fréquence différente du faisceau principal et qui interfère avec ce dernier, est l’objet diffractant.
Les mesures expérimentales ont permis, couplées aux simulations numériques, de déduire que les HHG sont focalisées quelque 150µm au-delà de la surface courbe du MP et que le gain en intensité, sur un laser de classe 100TW tel que UHI100, est proche d’un ordre de grandeur, permettant d’atteindre ici de l’ordre de 1020W/cm2.
A gauche, traces ptychographique résolues en fréquence, obtenues en champ lointain, en balayant dt=x0/v, dt le délai entre le faisceau principal et le faisceau annexe(au dessus, expérience, en dessous : reconstruction grâce à l’algorythme itératif de «phase-retrieval »; au centre : Phase et amplitude spatiales pour l’Harmonique 9 (H9) ; à droite : reconstruction temporelle du champ (Harmoniques 9 à 14) moyenné spatialement montrant une largeur d’impulsion de 450as
Approcher la limite de Schwinger à l’aide de miroirs plasmas relativistes
Un des challenges majeurs de la physique des champs forts est de mettre au point une source de lumière capable d’atteindre des intensités comprises >1025W.cm-2, à partir desquelles des effets d’électrodynamique quantique (QED) en champ fort deviennent dominants dans l’interaction laser-matière. En particulier, aux alentours de 1029W.cm-2 (Intensité de Schwinger), le champ laser pourrait littéralement ‘casser le vide’ et produire des paires e-/e+ à même le vide.
Toutefois, ces intensités sont plus de 3 ordres de grandeur supérieures à l’intensité maximale délivrée par les lasers PW actuels (1022W.cm-2). Les atteindre est donc impossible avec la technologie laser actuelle et nécessite donc un changement de paradigme que nous avons proposé [1]. Nous proposons une implémentation réaliste du concept de miroir courbe relativiste (MCR) qui consiste à réfléchir un laser femtoseconde de puissance sur un miroir contra-propagatif se propageant à vitesse relativiste et possédant une courbure d’excellente qualité optique. Au cours de la réflexion sur un tel MCR, l’intensité du champ réfléchi est boostée par deux mécanismes : (i) une compression temporelle de l’impulsion incidente associée à un raccourcissement de la longueur d’onde du champ réfléchi par effet Doppler.
(i) une focalisation du champ réfléchi sur des tailles de tâches bien plus petites que celles possibles avec le champ incident (de plus grande longueur d’onde).
Cette implémentation utilise les miroirs plasma (MP) relativistes courbés optiquement par pression de radiation, qui peuvent être obtenus en focalisant un laser femtoseconde de puissance à très haut contraste sur une cible solide (Fig. a). Au foyer, le champ laser fait osciller le MP à des vitesses relativistes et courbe sa surface par pression de radiation du fait de son profil spatial inhomogène (le champ est plus fort au centre de la tâche focale que sur ses bords).
Des simulations ‘premiers principes’ 3D de type Particle-In-Cell (PIC) réalisées à l’aide de notre code WarpX sur le supercalculateur MIRA (20 Mh CPU-800k coeurs) démontrent que des intensités de l’ordre de 1025W.cm-2 (Fig.b-f) peuvent être atteintes au foyer du miroir plasma pour un laser incident de 3PW (intensité initiale de 1022W.cm-2).
Ces conditions d’interaction étant accessibles expérimentalement, ce nouveau schéma d’implémentation du concept CRM devrait prochainement permettre des avancées majeures en science des champs forts au cours des années à venir.
Simulation Particle-In-Cell (PIC) 3D de la focalisation du champ réfléchi par un miroir plasma relativiste courbé optiquement par pression de radiation (a) Schéma de l’interaction (b) Intensité du champ réfléchi en fonction de la distance au miroir plasma (c) Profil spatio-temporel d’intensité dans le plan du miroir plasma (d) Profil spatial du champ réfléchi dans le plan du miroir plasma (e) Idem qu’en (c) mais au foyer du miroir plasma (f) idem qu’en (d) mais au foyer du miroir plasma.
Publication
[1] « Achieving Extreme Light Intensities using Optically Curved Relativistic Plasma Mirrors« , Vincenti H., Physical Review Letters, 123, 105001 (2019)