Modeling the interaction between a few-cycle relativistic laser pulse and a plasma mirror : from electron acceleration to harmonic generation

par Maxence Thévenet

Thèse de doctorat en Physique des plasmas

Sous la direction de Jérôme Faure.

Soutenue le 05-12-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire d'optique appliquée (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'optique appliquée (laboratoire) .

Le président du jury était Caterina Riconda.

Le jury était composé de Jérôme Faure, Laurent Gremillet, Patrick Audebert.

Les rapporteurs étaient Luís O. Silva, Emmanuel d' Humières.

  • Titre traduit

    Modélisation de l’interaction d'une impulsion laser femtoseconde avec des plasmas sur-denses : de l’accélération d’électrons à la génération d’harmoniques


  • Résumé

    Lorsqu'une impulsion laser est focalisée à une intensité relativiste sur une cible solide, le matériau est instantanément ionisé et forme un miroir plasma, c'est-à-dire un plasma surdense présentant un court gradient de densité sur sa face avant. La réflexion de l'impulsion laser génère alors des harmoniques élevées dans l'impulsion réfléchie, et des électrons peuvent être accélérés hors de la cible. Si la génération d'harmoniques est bien comprise, l'accélération des électrons reste, à ce jour, mal expliquée. Basée sur des résultats expérimentaux obtenus sur deux lasers femtosecondes ultraintenses (le laser "Salle Noire" au LOA et le laser UHI100 au CEA), cette thèse théorique et numérique porte sur le mécanisme d'accélération des électrons en suivant trois axes de recherche. Premièrement, à l'aide de simulations numériques de type particle-in-cell, nous identifions le mécanisme d'éjection des électrons de la surface qui a lieu à l'échelle du cycle optique. En particulier, le rôle déterminant des champs à l'intérieur du plasma a été mis en évidence, et ce travail montre que la longueur caractéristique du gradient de densité est un paramètre fondamental de cette interaction. Deuxièmement, après l'éjection du plasma, les électrons peuvent être accélérés par les champs laser de l'impulsion réfléchie. Ce processus, appelé "accélération laser dans le vide", avait été peu étudié expérimentalement en raison de la difficulté d'injecter des électrons directement au centre d'une impulsion laser intense. Le miroir plasma constitue une solution à ce problème, servant d'injecteur à électrons. Grâce à un modèle présenté dans cette thèse, nous avons pu interpréter les résultats expérimentaux obtenus sur le laser UHI100 du CEA. En particulier, nous démontrons que ces expériences ont conduit pour la première fois à l'accélération dans le vide d'un faisceau d'électrons de charge élevée (3 nC) jusqu'à des énergies relativistes (10 MeV). Enfin, la génération d'harmoniques lors de cette interaction peut se produire suivant deux mécanismes : l'accélération cohérente de sillage à faible intensité et le miroir oscillant relativiste à haute intensité. La comparaison entre l'éjection d'électrons et chacun de ces mécanismes apporte de nouvelles informations sur la dynamique à l'échelle nanométrique de la surface plasma.


  • Résumé

    When a laser pulse with a relativistic intensity is focused onto a solid target, the material is instantly ionized and forms a plasma mirror, namely an overdense plasma with a short density gradient on its front side. During the laser pulse reflection, high harmonics are generated in the reflected pulse, and electrons can be accelerated out of the target. While the mechanisms for high harmonic generation are well-known, the acceleration of electrons remained unclear. Based on experimental results from two ultraintense femtosecond laser systems (the "Salle Noire" laser at LOA and the UHI100 laser at CEA), this theoretical and numerical thesis unravels the mechanisms for ejection and acceleration of electrons, following three research lines. First, using particle-in-cell numerical simulations, we identify the ejection mechanism occuring during every laser period at the plasma surface. In particular, the role of the fields inside the plasma is highlighted, and the scale length of the plasma density gradient is shown to be a key parameter. Second, after being ejected from the plasma surface, electrons can be accelerated by the laser fields in the reflected pulse. This so-called "vacuum laser acceleration" had not been studied extensively in experiments, the biggest hurdle being to inject electrons directly inside an ultraintense laser pulse. Plasma mirrors offer an answer to this question and serve as electron injectors. In this thesis, we develop a model to interpret experimental results obtained on the UHI100 laser at CEA. In particular, we show that these experiments lead to the first observation of vacuum laser acceleration of a high-charge (3 nC) electron beam to relativistic energies (10 MeV). Finally, high harmonic generation may occur via two mechanisms: coherent wake emission at low intensity and the relativistic oscillating mirror effect at high intensity. Comparing electron ejection with each of these mechanisms brought new insights into the nanoscale dynamics of the plasma surface.


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