Plasmonique en régime ultra relativiste

Plasmonics in ultra relativistic regime

• Auteur / Autrice : Paula Kleij
• Direction : Michèle Raynaud-Brun
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique, laser et plasma
• Date : Soutenance le 15/02/2023
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des solides irradiés (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire des Solides Irradiés - Irradiated Solids Laboratory / LSI
• Jury : Président / Présidente : Jérôme Faure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marija Vranic, Emmanuel d' Humières, Ondrej Klimo, Caterina Riconda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marija Vranic, Emmanuel d' Humières

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de surface

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Plasma

Simulation

Onde de surface

Accélération des électrons

Plasma

Simulation

Surface wave

Electron acceleration

Résumé

L’augmentation du nombre d’installation laser multi-Petawatt à impulsions courtes dans le monde entier motive l’exploration de régimes de champ de plus en plus élevé qui peuvent donner lieu à l’accélération de particules plus importante, puisque des expériences avec des intensités dépassant 10^24 W/cm^2 seront bientôt disponibles. Dans cette nouvelle ère de la physique de l’interaction laser-plasma relativiste ultra-intense, l’extension de l’étude de la plasmonique vers des régimes d’intensité plus élevée, où les effets non linéaires et relativistes entrent progressivement en jeu, est d’un intérêt fondamental pour la physique des plasmas relativiste. Des expériences précédentes ont montré que l’excitation résonante des ondes de plasma de surface (SPW) par des lasers fs de très haute intensité frappant une cible structurée à densité solide améliore fortement le couplage laser-plasma et peut accélérer efficacement les électrons. En étendant le régime d’interaction à ultra-haute intensité laser au-delà de 10^21 W/cm2, nous pourrions obtenir des SPW avec des amplitudes extrêmement grandes à la surface du plasma sur dense, permettant ainsi potentiellement d’obtenir des courants d’électrons énergétiques d’une ampleur sans précédent. L’objectif de ce travail de thèse est d’explorer théoriquement et numériquement, à travers des simulations Particle-in-Cell réalisées avec le code SMILEI, la génération de faisceaux d’électrons rapides dans l’interaction laser solide via l’excitation dans des cibles pré-structurées d’ondes plasma de surface ou de modes électromagnétiques localisés dans des régimes laser de plus en plus relativistes. Dans ce travail, nous proposons un schéma inédit permettant de piloter la durée et l’intensité du SPW et par conséquent les caractéristiques du faisceau d’électrons. En effet, en appliquant un laser avec rotation du front d’onde (WFR), sur une surface modulée judicieusement choisie, nous réduisons la durée (jusqu’à quelques cycles optiques) et augmentons l’intensité du SPW, favorisant ainsi la production de paquets d’électrons ultracourts et énergétiques. Dans le régime d’interaction relativiste laser-plasma (10^21 W/cm2), nous montrons que ces SPW accélèrent des paquets d’électrons de charge élevée (quelques dizaines de pC), d’énergie élevée (jusqu’à 70 MeV) et ultracourts (quelques fs). En étendant la recherche au régime ultra-relativiste (> 10^21 W/cm2), nous avons identifié les paramètres clés pour assurer l’excitation et la survie de ce ces ondes de surface Les paquets d’électrons produits subissent une forte accélération et émettent donc de grandes quantités de rayonnement électromagnétique avec des caractéristiques intéressantes telles que la directionnalité, la luminosité, la gamme spectrale, etc. En outre, en comparant l’émission de photons dans des configurations de différentes géométries, nous remarquons que la configuration favorisant l’excitation des SPW émet également des photons avec des énergies plus élevées par rapport au cas favorisant l’accélération directe du vide par laser. Ceci démontre l’intérêt des SPW générer des moyens innovants pour manipuler et amplifier des impulsions de lumière laser de haute puissance. La voie à des sources de lumière et d’électrons synchronisées ultracourtes qui peuvent trouver des applications dans l’exploration de processus électroniques ultrarapides, le laser à électrons libres ou la production de rayons XUV est ainsi ouverte. De plus, nous proposons la mise en place d’un diagnostic, basé sur les potentiels de Lienard Wiechert, complétant les modules de traitement du rayonnement préexistants dans SMILEI. L’implémentation de ce traitement de rayonnement n’est pas seulement intéressante pour l’étude de l’excitation SPW et de l’accélération d’électrons dans le régime ultra-relativiste, mais aussi pour l’étude du rayonnement bétatron et de la génération de hautes harmoniques, entre autres.

The proliferation of short-pulse multi-Petawatt laser facilities around the world motivates the exploration of increasingly higher field regimes and more important particle acceleration as experiments with intensities exceeding 10^24 W/cm^2 will soon become available. In this new era of ultra-intense relativistic laser-plasma interaction physics, the extension of the study of plasmonics towards higher intensity regimes, where nonlinear and relativistic effects progressively come into play, is of fundamental interest for the physics of relativistic plasmas. Previous experiments have shown that the resonant excitation of surface plasma waves (SPW) by ultra-high intensity fs lasers impinging on a solid-density structured target strongly enhances the laser-plasma coupling and can efficiently accelerate electrons. When extending the regime of ultra-high laser intensity interaction beyond 10^21 W/cm2, we might obtain SPW with extremely large amplitudes at the over-dense plasma surface, potentially allowing to obtain unprecedentedly high currents of energetic electrons. The aim of the present PhD work is to explore theoretically and numerically, through Particle-in-Cell simulations performed with SMILEI, the generation of these fast electron beams in relativistic laser-solid interaction by using properly-structured targets whose surface characteristics allow SPW excitation or local electromagnetic modes in increasingly relativistic laser regimes. In this work we propose a novel set-up which permits to tune SPW duration and intensity and consequently the electron bunch characteristics. Indeed, by impinging a laser with wavefront rotation (WFR) on a smart grating design, we both shorten the duration (down to very few optical cycles) and increase the intensity of SPW, thus favoring the production of ultra-short, energetic electron bunches. In the laser-plasma relativistic regime of interaction (10^21 W/cm2), we show that such SPW are found to accelerate high-charge (few 10’s of pC), high-energy (up to 70 MeV), and ultra-short (few fs) electron bunches. Extending the research to the ultra-relativistic regime (> 10^21 W/cm2), we have identified the key parameters to ensure the excitation and survival of these surface plasma waves. The produced electron bunches experience strong acceleration, therefore emitting large amounts of electromagnetic radiation with interesting characteristics such as directionality, brightness, spectral range etc. Furthermore, when comparing the photon emission in different set-up geometries, we notice that the set-up favouring SPW excitation also emit photons with higher energies with respect to the case favouring direct laser vacuum acceleration. This proves that SPW may generate innovative ways to manipulate and amplify high power laser light pulses, paving the way to ground-breaking ultra-short synchronized light and electron sources which could find applications in the exploration of ultra-fast electronic processes, free electron laser or the production of XUV rays. In addition, we propose the implementation of a diagnostic, based on the Lienard Wiechert potentials, complementing the pre-existing radiation modules in SMILEI. The implementation of this radiation is not only interesting for the study of SPW excitation and electron acceleration in the ultra-relativistic regime, but also for the investigation of betatron radiation and high harmonic generation among many others.