Algorithmes massivements parallèles pour les simulations PIC réalistes de l’interaction laser plasma à ultra-haute intensité, application à la séparation d’impulsions attosecondes d’harmoniques Doppler

Massively parallel algorithms for realistic PIC simulations of ultra high intensity laser-plasma interaction, application to attosecond pulses separation of Doppler harmonics

• Auteur / Autrice : Haithem Kallala
• Direction : Pascal Monot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 21/02/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interactions, dynamiques et lasers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....) - Maison de la simulation (Gif-sur-Yvette , Essonne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Maynard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Sonnendrücker, Emmanuel d' Humières, Mickael Grech, Caterina Riconda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Sonnendrücker, Emmanuel d' Humières

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maxwell, Équations de -- Solutions numériques

Interactions laser-plasma

Mots clés libres

Solveurs pseudo-spectraux

FFT en mémoire distribuée

Effet phare attoseconde

Miroir plasma

Pseudo-spectral solvers

Distributed memory FFT

Attosecond lighthouse effect

Plasma mirrors

Résumé

La complexité des mécanismes physiques mis en jeu lors de l'interaction laser-plasma à ultra-haute intensité nécessite de recourir à des simulations PIC particulièrement lourdes. Au cœur de ces codes de calcul, les solveurs de Maxwell pseudo-spectraux d'ordre élevé présentent de nombreux avantages en termes de précision numérique. Néanmoins, ces solveurs ont un coût élevé en termes de ressources nécessaires. En effet, les techniques de parallélisation existantes pour ces solveurs sont peu performantes au-delà de quelques milliers de coeurs, ou induisent un important usage mémoire, ce qui limite leur scalabilité à large échelle. Dans cette thèse, nous avons développé une toute nouvelle approche de parallélisation qui combine les avantages des méthodes existantes. Cette méthode a été testée à très large échelle et montre un scaling significativement meilleur que les précédentes techniques, tout en garantissant un usage mémoire réduit.En capitalisant sur ce travail numérique, nous avons réalisé une étude numérique/théorique approfondie dans le cadre de la génération d'harmoniques d'ordres élevés sur cible solide. Lorsqu'une impulsion laser ultra-intense (I>10¹⁶W.cm⁻² ) et ultra-courte (de quelques dizaines de femtosecondes) est focalisée sur une cible solide, elle génère un plasma sur-dense, appelé miroir plasma, qui réfléchit non-linéairement le laser incident. La réflexion de l'impulsion laser est accompagnée par l'émission cohérente d'harmoniques d'ordres élevées, sous forme d'impulsions X-UV attosecondes (1 attosecond = 10⁻¹⁸s). Pour des intensités laser relativistes (I>10¹⁹ W.cm⁻²), la surface du plasma est incurvée sous l'effet de la pression de radiation du laser. De ce fait, les harmoniques rayonnées par la surface du plasma sont focalisées. Dans cette thèse, j'ai étudié la possibilité de produire des impulsions attosecondes isolées en régime relativiste sur miroir plasma, grâce au mécanisme de phare attoseconde. Celui-ci consiste à introduire une rotation des fronts d'onde du laser incident de façon à séparer angulairement les différentes impulsions attosecondes produites à chaque cycle optique. En régime relativiste, la courbure du miroir plasma augmente considérablement la divergence du faisceau harmonique, ce qui rend le mécanisme phare attoseconde inefficace. Pour y remédier, j'ai développé deux techniques de réduction de divergence harmonique afin de mitiger l'effet de focalisation induit par la courbure du miroir plasma et permettre de générer des impulsions attosecondes isolées à partir d’harmoniques Doppler. Ces deux techniques sont basées sur la mise en forme en amplitude et en phase du faisceau laser. Par ailleurs, j'ai développé un modèle théorique pour déterminer les régimes optimaux d'interaction afin de maximiser la séparation angulaire des impulsions attosecondes. Ce modèle a été validé par des simulations numériques PIC en géométries 2D et 3D et sur une large gamme de paramètres laser et plasma. Finalement, on montre qu'en ajustant des paramètres laser et plasma réalistes, il est possible de séparer efficacement les impulsions attosecondes en régime relativiste.

The complexity of the physical mechanisms involved in ultra-high intensity laser-plasma interaction requires the use of particularly heavy PIC simulations. At the heart of these computational codes, high-order pseudo-spectral Maxwell solvers have many advantages in terms of numerical accuracy. This numerical approach comes however with an expensive computational cost. Indeed, existing parallelization methods for pseudo-spectral solvers are only scalable to few tens of thousands of cores, or induce an important memory footprint, which also hinders the scaling of the method at large scales. In this thesis, we developed a novel, arbitrarily scalable, parallelization strategy for pseudo-spectral Maxwell's equations solvers which combines the advantages of existing parallelization techniques. This method proved to be more scalable than previously proposed approaches, while ensuring a significant drop in the total memory use.By capitalizing on this computational work, we conducted an extensive numerical and theoretical study in the field of high order harmonics generation on solid targets. In this context, when an ultra-intense (I>10¹⁶W.cm⁻²) ultra-short (few tens of femtoseconds) laser pulse irradiates a solid target, a reflective overdense plasma mirror is formed at the target-vacuum interface. The subsequent laser pulse non linear reflection is accompanied with the emission of coherent high order laser harmonics, in the form of attosecond X-UV light pulses (1 attosecond = 10⁻¹⁸s). For relativistic laser intensities (I>10¹⁹ W.cm⁻²), the plasma surface is curved under the laser radiation pressure. And the plasma mirror acts as a focusing optics for the radiated harmonic beam. In this thesis, we investigated feasible ways for producing isolated attosecond light pulses from relativistic plasma-mirror harmonics, with the so called attosecond lighthouse effect. This effect relies introducing a wavefront rotation on the driving laser pulse in order to send attosecond pulses emitted during different laser optical cycles along different directions. In the case of high order harmonics generated in the relativistic regime, the plasma mirror curvature significantly increases the attosecond pulses divergence and prevents their separation with the attosecond lighthouse scheme. For this matter, we developed two harmonic divergence reduction techniques, based on tailoring the laser pulse phase or amplitude profiles in order to significantly inhibit the plasma mirror focusing effect and allow for a clear separation of attosecond light pulses by reducing the harmonic beam divergence. Furthermore, we developed an analytical model to predict optimal interaction conditions favoring attosecond pulses separation. This model was fully validated with 2D and 3D PIC simulations over a broad range of laser and plasma parameters. In the end, we show that under realistic laser and plasma conditions, it is possible to produce isolated attosecond pulses from Doppler harmonics.