Etude de l'interaction d'un faisceau laser intense avec un plasma long et chaud dans le contexte du schéma d'allumage par choc

Experimental investigation of the interaction of an intense laser beam with a long and hot plasma in the context of shock ignition

• Auteur / Autrice : Clément Goyon
• Direction : Christine Labaune, Sylvie Depierreux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique
• Jury : Président / Présidente : Patrick Mora
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vladimir Tikhonchuk
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Casanova, Fabien Dorchies

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plasmas chauds

Brillouin, Effet

Interactions laser-plasma

Lasers

Résumé

L'allumage par choc est un schéma de fusion réalisé en attaque directe qui se décompose en deux étapes. La première consiste en une compression de plusieurs nanosecondes à l'aide de faisceaux de quelques 1014 W/cm2 et la seconde en l'utilisation de faisceaux d'intensité supérieure à plusieurs 1015 W/cm2 pour créer un choc convergent déclenchant l'ignition. Le couplage du laser lors de la seconde étape soulève plusieurs questions. En effet, le laser doit traverser un plasma sous critique chaud, de taille millimétrique avant de déposer son énergie et créer le choc. Dans ce domaine mal connu expérimentalement et numériquement, on ne sait pas quelle sera la fraction d'énergie absorbée ou comment vont influer les instabilités paramétriques sur la propagation. Dans ce manuscrit, nous proposons une étude expérimentale de l'interaction d'un faisceau d'intensité comprise entre 2. 1015 W/cm2 et 2. 1016 W/cm2 dans un plasma de l'ordre du millimètre et à une température proche du keV. D'abord, nous présentons les conditions d'interaction dans le plasma coronal. L'instabilité Brillouin est en régime de couplage fort, l'instabilité Raman est en régime cinétique et l'intensité est au-dessus du seuil de filamentation pondéromotrice. Expérimentalement, nous approchons au mieux les conditions hydrodynamiques données par l'étude théorique en utilisant des cibles de mousses et des feuilles minces préformées. Nous présentons les premières mesures résolues en temps des spectres rétrodiffusés du faisceau picoseconde, lissé par une lame de phase aléatoire, ainsi que la distribution d'intensité transmise dans ce type de plasma. Nous mettons en évidence des mesures d'énergie rétrodiffusée par l'instabilité Brillouin pouvant atteindre 60% de l'énergie incidente pour les densités électronique de plasma les plus importantes. L'instabilité Raman n'induit quant à elle, pas de perte d'énergie conséquente. En ce qui concerne la distribution de l'intensité transmise, nous observons un lissage et une augmentation du diamètre de cette dernière par rapport à la tache focale à vide. Enfin nous surlignons l'importance de la prise en compte des instabilités paramétriques quant à la réussite du schéma d'allumage par choc en complétant nos observations avec résultats obtenus pour des impulsions nanoseconde moins intenses.

Shock ignition is an alternative direct-drive scheme for inertial fusion that consists in two steps. The first one is a several nanoseconds long compression with low intensity beams. The second one is a several hundred of picoseconds stage using high intensity beams to create a converging shock leading to ignition. During the second phase, the laser beam goes through a long and hot under-critical plasma. However, the coupling of this intense pulse with the coronal plasma has not been much studied experimentally or numerically. Then, the energy absorbed as well as the role of parametric instabilities regarding reflected or transmitted intensity cannot be predicted. In this PhD dissertation, we describe an experimental study of an intense laser pulse between 2. 1015 W/cm2 and 2. 1016 W/cm2 interacting with millimetric plasma heated close to one keV. We begin with a theoretical description of the interaction conditions in the coronal plasma. Brillouin scattering is in strongly coupled regime, Raman instability is kinetic regime and laser intensity is above ponderomotive filamentation threshold. We recreate these interaction conditions experimentally by means of pre-heated targets which are foams or thin plastic foils. Then, we present the first measurements of time resolved backscattered spectra from the smoothed picosecond beam as well as transmitted intensity distribution through the plasma. We find that Brillouin instability can be responsible for up to 60% reflectivity in plasmas with electronic density close to critical while Raman reflectivity stays at low levels. Transmitted intensity distribution is smoothed by the propagation and its diameter increases compared to the laser focal spot in vacuum. Finally, we discuss interaction measurements in nanosecond regime to highlight the fact that parametric instabilities reduction is essential for shock ignition to be a successful scheme.