Mesure de l'amplitude d'une onde de plasma créée par sillage laser guidé

Measurment of plasma wave amplitude created by guided laser wakefield

• Auteur / Autrice : Franck Wojda
• Direction : Brigitte Cros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Accélérateurs d'électrons

Ondes de plasma

Lasers

Résumé

L’interaction d’une impulsion laser intense et de courte durée avec un plasma permet de produire une onde de plasma de grande amplitude dans son sillage, auquel est associé un champ électrique longitudinal. Celui-ci peut être utilisé pour accélérer des électrons relativistes injectés dans l'onde jusqu’à de grandes énergies - de l’ordre du GeV - sur de courtes distances - quelques centimètres - au regard des distances dans les accélérateurs conventionnels. Le contrôle des caractéristiques du faisceau d’électrons lors du processus d’accélération est fondamental pour réaliser un étage d’accélération laser-plasma utilisable. Le travail de thèse a porté sur la création et la caractérisation d’une onde de plasma en régime faiblement non linéaire sur une longueur de plusieurs centimètres. Des tubes capillaires sont utilisés pour guider le faisceau laser sur ces distances tout en maintenant une intensité suffisante (~1017 W/cm2). Le faisceau laser guidé ionise le gaz contenu dans le tube et crée l’onde de plasma. Un diagnostic optique reposant sur la modification du spectre de l’impulsion laser a été utilisé pour déterminer l’amplitude de l’onde de plasma le long du tube. Sa dépendance en fonction de la pression de remplissage du gaz, de la longueur du capillaire et de l'énergie laser, a été étudiée. Les résultats expérimentaux comparés aux résultats analytiques et de modélisation furent en excellent accord. Montrent que le champ électrique associé à l'onde de plasma est compris entre 1 et 10 GV/m sur une longueur allant jusqu’à 8 cm. Ce travail a permis de montrer la possibilité de créer de façon contrôlée une onde de plasma en régime faiblement non linéaire.

The interaction of an intense laser pulse of short duration with a plasma produces a plasma wave with large amplitude in its wake, which is associated with a longitudinal electric field. This can be used to accelerate the relativistic electrons injected into the wave to large energy- the order of GeV - over short distances - a few centimeters – compare with the distances in conventional accelerators. The control of the electron beam characteristics during the acceleration process is fundamental for achieving a usable laser-plasma acceleration stage. The thesis focused on the creation and characterization of a plasma wave in weakly nonlinear regime for a length of several centimeters. Capillary tubes are used to guide the laser beam on these distances, while maintaining sufficient intensity (~1017 W/cm2). The guided laser beam ionizes the gas in the tube and creates the plasma wave. A diagnostic based on the modification of the laser pulse spectrum was used to determine the amplitude of the plasma wave along the tube. The dependency of the gas filling pressure, the length of the capillary and the laser energy was studied. The experimental results compared with analytical results and modeling were in excellent agreement. They show that the electric field associated with the plasma wave is between 1 and 10 GV / m over a length of up to 8 cm. This work has demonstrated the ability to create a controlled plasma wave in a weakly nonlinear regime.