Optimisation, stabilisation et contrôle par phase optique d'un accélérateur laser-plasma à haut taux de répétition

Optimization, stabilization and optical phase control of a high-repetition rate laser-wakefield accelerator

• Auteur / Autrice : Lucas Rovige
• Direction : Jérôme Faure
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/11/2022
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : École nationale supérieure de techniques avancées (Palaiseau, Essonne ; 1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique Appliquée (Palaiseau)
• Jury : Président / Présidente : Julien Fuchs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Faure, Sophie Kazamias, Philippe Balcou, Olle Lundh, Victor Malka, Xavier Davoine
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Kazamias, Philippe Balcou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Faisceaux électroniques

Optique physique

Interactions laser-plasma

Mots clés libres

Accélérateur laser-Plasma

Faisceaux d'électrons

Phase optique

Kilohertz

Haute intensité

Laser-Plasma accelerator

Electron beams

Carrier-Envelope Phase

Kilohertz

High intensity

Résumé

Cette thèse de doctorat présente le travail expérimental sur le développement d'un accélérateur laser-plasma à haut taux de répétition (kHz) utilisant des impulsions laser de quelques milijoules, et de durée proche du cycle optique. Nous explorons un large ensemble de paramètres expérimentaux pour optimiser l'accélérateur en contrôlant la densité et le profil plasma, la durée des impulsions, le type de gaz et le mécanisme d'injection utilisés dans les expériences. Nous démontrons une amélioration significative des performances, notamment avec d’importants progrès réalisés sur la stabilité et la fiabilité à long terme de l'accélérateur, avec un fonctionnement continu et stable de l'accélérateur pendant plusieurs heures accumulant un record de 18 millions de tirs consécutifs. Ce gain de stabilité est obtenu en utilisant un nouveau type de jet de gaz qui utilise un choc hydrodynamique oblique asymétrique permettant l'injection d’électrons dans le gradient de densité descendant de la région choquée. En utilisant des simulations particle-in-cell, les causes physiques menant à un régime d'accélération optimisé et stable sont établies. L'énergie typique du faisceau d'électrons a également été augmentée d'un facteur deux, jusqu'à 8 MeV, tandis que des divergences divergence mono-tir du faisceau d’électrons aussi faible que 3mrad sont obtenues en utilisant de l'hélium au lieu de l'azote pour créer le plasma. Nous présentons ensuite les résultats d'une première expérience d'application en radiobiologie où notre accélérateur est utilisé pour irradier des cellules cancéreuses, en profitant de la stabilité nouvellement acquise.Dans un second temps, nous étudions les spécificités de l'interaction des impulsions proche du cycle optique avec un plasma sous-dense se produisant dans notre accélérateur, principalement par l'effet de la phase enveloppe-porteuse (CEP). Nous observons et contrôlons expérimentalement pour la première fois les effets CEP dans un accélérateur laser-plasma, qui se manifestent par une dépendance du pointé du faisceau d'électrons à la phase optique initiale du laser. Des variations de charge significatives (jusqu'à 30%) lorsque l'on change la valeur du CEP sont également observées dans certains cas. En effectuant des simulations particle-in-cell, nous expliquons ces effets par une injection périodique hors axe de plusieurs sous-faisceaux d'électrons déclenchée par l'oscillation de l'asymétrie de l'onde plasma dans la direction de polarisation du laser due au glissement de la CEP pendant la propagation. Enfin, nous discutons de résultats préliminaires concernant les effets de la CEP sur le spectre d'énergie des électrons associés à l'injection d'ionisation dans un mélange de gaz hélium-argon.

This PhD thesis presents experimental work on the development of a high-repetition rate (kHz) laser-wakefield accelerator using few millijoules, near-single cycle laser pulses. We explore a large set of experimental parameters to optimize the accelerator by controlling the plasma density and profile, pulse duration, type of gas and injection mechanism used in experiments. We demonstrate significant performances improvement, notably with progress made on the long-term stability and reliability of the accelerator with continuous and stable operation of the accelerator for several hours accumulating a record of 18 million consecutive shots. We achieve this gain in stability by using a newly designed type of gas target resulting in an asymmetric hydrodynamic oblique shock enabling injection in the downward density transition of the shock region. Using particle-in-cell simulations, we understand in details the underlying causes leading to an optimized and stable acceleration regime. The typical electron beam energy has also been increased by a factor of two, up to 8 MeV, while a single-shot beam divergence as low as 3mrad is achieved using helium instead of nitrogen to form the plasma. We then present the results of a first application experiment in radiobiology where our accelerator is used to irradiate cancerous cells, taking advantage of the newly acquired stability.Secondly, we study the specificity of the interaction of near-single cycle pulses with an underdense plasma that occurs in our accelerator, mainly through the effect of the carrier-envelope phase (CEP). We observe and control experimentally for the first time CEP effects in a laser-wakefield accelerator, that manifest through a dependence of the electron beam pointing to the laser initial optical phase. We also show significant (up to 30%) charge variations in some cases when changing the value of the CEP. By carrying out particle-in-cell simulations, we explain these effects by the periodic off-axis injection of several electron sub-bunches triggered by the oscillation of the asymmetry of the plasma wave in the laser polarization direction due to the CEP shifting during propagation. Finally, we discuss preliminary results on carrier-envelope phase effects on the electron energy spectrum associated with ionization injection in a helium-argon gas mixture.