Optimisations de faisceaux de protons générés par laser avec des cibles solides nanostructurées

par Simon Carrier-Vallieres

Projet de thèse en Lasers, Matière et Nanosciences

Sous la direction de Emmanuel D'humieres et de Patrizio Antici.

Thèses en préparation à Bordeaux en cotutelle avec l'Institut national de la recherche scientifique , dans le cadre de Sciences Physiques et de l'Ingénieur , en partenariat avec Centre Lasers Intenses et Applications (laboratoire) et de Particules Et Transport, Rayonnement Ultra-bref, matière sous conditions eXtrêmes (equipe de recherche) depuis le 30-03-2017 .


  • Résumé

    La génération de faisceaux particules par accélération laser-plasma est devenu un domaine qui ne cesse de croître, en particulier pour ses nombreuses applications intéressantes. Un des mécanismes les plus utilisés pour l'accélération de protons sur des systèmes laser de plusieurs centaines de térawatts (TW) est basé sur l'irradiation d'une mince cible solide métallique, générant une accélération de protons sur sa face arrière. Afin d'optimiser le processus, il est donc nécessaire de maximiser le transfert d'énergie du laser aux particules et pour ce faire, plusieurs groupes de recherche ont adressé ce problème en utilisant des cibles nanostructurées [1, 2]. Dans ce projet de doctorat, nous développerons des cibles nanostructurées permettant une meilleure absorption du faisceau laser incident comparativement aux cibles conventionnelles. Ces nouvelles cibles nanostructurées seront produites par une méthode bien plus simple et moins coûteuse que les méthodes lithographiques utilisées en général. Le développement de la méthode de fabrication a mené à une publication récente par notre groupe de recherche [3]. Plusieurs couches de nanoparticules métalliques (Au, Ag) sont déposées sur des cibles solides conventionnelles (feuilles minces d'Au et Al) et permettent une augmentation de l'absorption de photons. Ceci permet ultimement d'augmenter le transfert d'énergie du laser aux particules, et donc d'accroître le rendement en protons. Le but principal de ce projet est de tester différents types de cibles nanostructurées utilisées pour améliorer les caractéristiques du faisceau de protons. Le projet peut être divisé selon les objectifs suivants: 1) Effectuer des simulations PIC afin de comprendre les processus phénoménologiques derrière le rehaussement des caractéristiques du faisceau de protons. Plusieurs géométries de cibles ainsi que différents paramètres laser seront testés numériquement afin de déterminer le point optimal pour obtenir un faisceau de protons aux caractéristiques accrues. 2) Optimiser la génération de faisceaux de protons en testant expérimentalement différents types de cibles nanostructurées, en utilisant la méthode de fabrication précédemment développée. Ces expériences seront guidées par les paramètres optimaux trouvés lors des simulations du précédent objectif. Tout les travaux expérimentaux seront effectués à l'INRS-EMT sur l'Advanced Laser Light Source (ALLS) ayant une puissant crête de 500 TW, sous la supervision du professeur Patrizio Antici. Concernant les simulations, elles seront effectuées au CELIA de l'Université de Bordeaux, sous la supervision du professeur Emmanuel d'Humières. [1] Bagchi S. et al., Fast Ion Beams from Intense, Femtosecond Laser Irradiated Nanostructured Surfaces, Appl. Phys., vol. 88, 167–173 (2007). [2] Andreev A. et al., Efficient Generation of Fast Ions from Surface Modulated Nanostructure Targets Irradiated by High Intensity Short-Pulse Lasers, Phys. Plasmas, vol. 18, 103103 (2011). [3] Barberio M. et al., Fabrication of Nanostructured Ttargets for Improved Laser- Driven Proton Acceleration, Superlatt. & Microstruc., vol. 95, (2016).

  • Titre traduit

    Enhancement of Laser-Driven Proton Beams Using Nanostructured Solid Targets


  • Résumé

    Laser-driven particle acceleration has become a growing field of research, in particular for its numerous interesting applications. One of the most common proton acceleration mechanism that is obtained on typical commercially available multi-hundred TW laser systems is based on the irradiation by the intense laser of thin solid metal foils, generating a proton acceleration on its rear target surface. Hence, there is a need to increase the laser-to-particle energy transfer and several research groups have addressed this problem using nanostructured targets [1, 2]. In this work, we aim to develop solid nanostructured targets that are able to increase the absorption of light compared to what can be achieved with a classical solid (non- nanostructured) target. The new nanostructured targets are produced by a method that is much simpler and cheaper than conventional lithographic processes, which has lead to a recent publication from our group [3]. Several layers of metal nanoparticles (Au, Ag) were deposited on solid targets (Au and Al thin films) and allow for increased photon absorption. This ultimately permits to increase the laser-to-particle energy transfer, and thus to an enhanced yield in the proton production. The main goal of this project is to test different types of nanostructured targets employed as an improved proton source. It can be divided into two sub-objectives: 1) Perform “Particle-In-Cell” (PIC) simulations to understand the phenomenological processes behind the enhanced laser-driven proton generation. Different target geometries as well as various laser parameters need to be simulated to determine the optimal workpoint for an increased proton yield. 2) Optimization of laser-driven proton beams by testing experimentally different types of nanostructured targets, using a newly developed method of fabrication. These results will be guided by the optimal parameters found from simulations in the previous objective. All the experimental work can be done at INRS-EMT using the ALLS high peak power (500 TW) laser. Concerning the simulations, Prof. Antici has a long lasting collaboration with Prof. d'Humières (31 articles within 10 years), who is an expert on the subject. Hence, all the simulation work will be performed at Université de Bordeaux. [1] Bagchi S. et al., Fast Ion Beams from Intense, Femtosecond Laser Irradiated Nanostructured Surfaces, Appl. Phys., vol. 88, 167–173 (2007). [2] Andreev A. et al., Efficient Generation of Fast Ions from Surface Modulated Nanostructure Targets Irradiated by High Intensity Short-Pulse Lasers, Phys. Plasmas, vol. 18, 103103 (2011). [3] Barberio M. et al., Fabrication of Nanostructured Ttargets for Improved Laser- Driven Proton Acceleration, Superlatt. & Microstruc., vol. 95, (2016).