Effets radiatifs et quantiques dans l'interaction laser-matière ultra-relativiste

par Bertrand Martinez

Thèse de doctorat en Astrophysique, Plasmas, nucléaire

Sous la direction de Emmanuel D'humieres.

Thèses en préparation à Bordeaux , dans le cadre de Sciences Physiques et de l'Ingénieur , en partenariat avec Centre Lasers Intenses et Applications (laboratoire) .


  • Résumé

    Les futures installations laser multi-pétawatts, tels les projets Apollon (France) et Extreme Light Infrastructure (République Tchèque, Hongrie, Roumanie), permettront d'atteindre des intensités sur cible dépassant 10^22 Wcm^(-2). Dans de telles conditions, l'interaction laser-matière met en jeu des processus plasmas ultra-relativistes couplés à des mécanismes radiatifs et d'électrodynamique quantique (QED). Ce nouveau régime d'interaction laisse présager de nombreuses applications transdisciplinaires en recherche fondamentale et appliquée, incluant le développement de sources compactes et ultra-intenses de particules énergétiques, la reproduction de phénomènes astrophysiques relativistes ou des tests expérimentaux de divers aspects de la QED. La plupart des études théoriques sur ce sujet ont porté sur l'impact de l'émission synchrotron et de la production de paires électron-positron par le processus de Breit-Wheeler, tous deux induits par le champ laser et censés dominer l'interaction à des intensités >10^22 Wcm^(-2). À de plus faibles intensités (≲10^21 Wcm^(-2)), l'émission de photons et la création de paires procèdent essentiellement du Bremsstrahlung et des processus de Bethe-Heitler/Trident, tous déclenchés sous l'action du champ Coulombien atomique. La transition entre ces différents régimes a toutefois été peu explorée, notamment au moyen de simulations cinétiques intégrées. Cette thèse vise précisément à étudier les processus mentionnés ci-dessus dans divers scénarios d'interaction laser-plasma relativiste. Ce travail a été réalisé à l'aide du code particle-in-cell (PIC) CALDER conçu au CEA/DAM, qui, au début de ce travail, modélisait déjà les mécanismes synchrotron et Breit-Wheeler. La première étude a permis d'étendre les capacités de simulation du code PIC aux mécanismes Coulombiens de génération de photons et de positrons. Les sections efficaces des processus Bremsstrahlung et Bethe-Heitler implémentés tiennent compte des variations de l'écrantage électronique selon le degré d'ionisation du milieu traversé par les électrons et les photons. Après validation des modules Monte Carlo associés, nous avons mené une étude numérique de la génération de positrons par Bremsstrahlung/Bethe-Heitler et Trident lors du transport d'électrons relativistes dans une cible de cuivre. Comparées à un modèle théorique, nos simulations mettent en lumière l'impact des transferts d'énergie entre électrons et ions (via l'accélération de ceux-ci) sur la création de paires dans des cibles fines. Nous nous intéressons ensuite à la compétition entre le Bremsstrahlung et l'émission synchrotron dans des feuilles de cuivre irradiées par un laser femtoseconde d'intensité 10^22 Wcm^(-2). La production de photons >10 keV s'avère maximale dans des cibles de quelques dizaines de nanomètres devenant transparentes, par effet relativiste et expansion ultra-rapide, durant l'impulsion laser, et est alors imputable à l'émission synchrotron. Le Bremsstrahlung gagne en importance avec l'épaisseur de la cible, jusqu'à prendre le pas sur l'émission synchrotron au-delà de ∼2 μm. Les propriétés spectrales des deux mécanismes sont analysées en détail et corrélées à l'évolution ultra-rapide de la cible. Finalement, nous explorons le potentiel de cibles composées de nano-fils pour augmenter le rayonnement synchrotron. Plusieurs régimes de rayonnement sont mis en évidence selon les paramètres de la cible et en fonction du temps. Une étude paramétrique nous permet d'identifier la géométrie la plus efficace, s'illustrant, pour une intensité de 10^22 Wcm^(-2), par un taux de conversion radiatif d'environ 10%. Cette configuration conduit à une détente rapide des nano-fils durant l'interaction, produisant un plasma quasi uniforme et transparent à l'essentiel de l'impulsion laser. En outre, nous montrons que si des cibles uniformes de faible densité reproduisent les performances optimales des nano-fils, ceux-ci assurent un rayonnement élevé sur une plus grande plage de densité moyenne.

  • Titre traduit

    Radiative and quantum electrodynamic effects in ultra-relativistic laser-matter interaction


  • Résumé

    Forthcoming multi-petawatt laser systems, such as the French Apollon and European Extreme Light Infrastructure facilities, are expected to deliver on-target laser intensities exceeding 10^22 W/cm^2. A novel regime of laser-matter interaction will ensue, where ultra-relativistic plasma effects are coupled with copious generation of high-energy photons and electron-positron pairs. This will pave the way for many transdisciplinary applications in fundamental and applied research, including the development of unprecedentedly intense, compact particle and radiation sources, the experimental investigation of relativistic astrophysical scenarios and tests of quantum electrodynamics theory. In recent years, most theoretical studies performed in this research field have focused on the impact of synchrotron photon emission and Breit-Wheeler pair generation, both directly induced by the laser field and believed to be dominant at intensities >10^22 W/cm^2. At the lower intensities (≲10^21 Wcm^(-2)) currently attainable, by contrast, photon and pair production mainly originate from, respectively, Bremsstrahlung and Bethe-Heitler/Trident processes, all triggered by atomic Coulomb fields. The conditions for a transition between these two regimes have, as yet, hardly been investigated, particularly by means of integrated kinetic numerical simulations. The purpose of this PhD is precisely to study the aforementioned processes under various physical scenarios involving extreme laser-plasma interactions. This work is carried out using the particle-in-cell CALDER code developed at CEA/DAM which, over the past few years, had been enriched with modules describing the synchrotron and Breit-Wheeler processes. Our first study aimed at extending the simulation capabilities of CALDER to the whole range of photon and positron generation mechanisms arising during relativistic laser-plasma interactions. To this purpose, we have implemented modules for the Coulomb-field-mediated Bremsstrahlung, Bethe-Heitler and Trident processes. Refined Bremsstrahlung and Bethe-Heitler cross sections have been obtained which account for electronic shielding effects in arbitrarily ionized plasmas. Following validation tests of the Monte Carlo numerical method, we have examined the competition between Bremsstrahlung/Bethe-Heitler and Trident pair generations by relativistic electrons propagating through micrometer copper foils. Our self-consistent simulations qualitatively agree with a 0-D theoretical model, yet they show that the deceleration of the fast electrons due to target expansion significantly impacts pair production. We then address the competition between Bremsstrahlung and synchrotron emission from copper foils irradiated at 10^22 Wcm^(-2). We show that the maximum radiation yield (into >10 keV photons) is achieved through synchrotron emission in relativistically transparent targets of a few 10 nm thick. The efficiency of Bremsstrahlung increases with the target thickness, and takes over synchrotron for >2μm thicknesses. The spectral properties of the two radiation processes are analyzed in detail and correlated with the ultrafast target dynamics. Finally, we investigate the potential of nanowire-array targets to enhance the synchrotron yield of a 10^22 Wcm^(-2) femtosecond laser pulse. Several radiation mechanisms are identified depending on the target parameters and as a function of time. A simulation scan allows us to identify the optimal target geometry in terms of nanowire width and interspacing, yielding a ∼10% radiation efficiency. In this configuration, the laser-driven nanowire array rapidly expands to form a quasi-uniform, relativistically transparent plasma. Furthermore, we demonstrate that uniform sub-solid targets can achieve synchrotron yields as high as in nanowire arrays, but that the latter enable a strong emission level to be sustained over a broader range of average plasma density.