Interaction d’une impulsion laser intense avec un plasma sous dense dans le régime relativiste

Interaction of an intense laser pulse with a low-density plasma in the relativistic regime

• Auteur / Autrice : Julien Moreau
• Direction : Vladimir Tikhonchuk, Emmanuel d' Humières
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 30/03/2018
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Gobet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vladimir Tikhonchuk, Emmanuel d' Humières, Franck Gobet, Guy Bonnaud, Caterina Riconda, Laurent Yvan André Gremillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guy Bonnaud, Caterina Riconda

Mots clés

Mots clés contrôlés

Absorption

Accélérateurs d'ions

Interactions laser-plasma

Mots clés libres

Interaction laser-plasma

Plasmas quasi-critiques

Simulations Particle-In-Cell

Absorption

Diffusion Raman stimulée

Cavités électromagnétiques

Solitons

Accélération d’ions par laser

Laser-plasma interaction

Quasi-critical plasmas

Particle-in-cell simulations

Absorption

Stimulated Raman scattering

Electromagnetic cavities

Solitons

Laser ion acceleration

Résumé

De part ses nombreuses applications scientifiques et sociétales comme la radiographie protonique ou encore la protonthérapie, l’accélération d’ions par laser suscite un grand intérêt. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre et présente une étude de l’interaction d’une impulsion laser d’intensité relativiste avec un plasma de densité modérée. Dans ce régime, le plasma est transparent à l’onde laser et les électrons oscillent à des vitesses relativistes dans le champ de l’onde incidente. Ces conditions sont favorables à un transfert efficace de l’énergie laser vers le plasma, et donc sont intéressantes pour l’accélération d’ions par laser. Ce régime permet également la création de solitons électromagnétiques et acoustiques dont les mécanismes de formation et les propriétés nécessitent une meilleur compréhension. Nous réalisons une étude détaillée de simulations Particle-In-Cell (réalisées avec le code OCEAN) de l’interaction d’une impulsion laser intense avec un plasma sous dense. Nous montrons que la diffusion Raman stimulée (SRS) dans le régime relativiste est le principal processus responsable de l’absorption de l’énergie laser par le plasma et qu’il est, en outre, très efficace puisqu’il permet de transférer près de 70 % de l’énergie de l’impulsion laser aux électrons. Cette instabilité apparaît dans des plasmas dont la densité est nettement supérieure à la densité quart-critique du fait de la diminution de la fréquence plasma électronique et se développe sur des temps très courts. Il permet ainsi un chauffage homogène des électrons tout le long de la propagation de l’impulsion laser à travers le plasma. Ces électrons participent à la détente du plasma, et créent sur ses bords raids un champ électrostatique permettant l’accélération des ions. Ces derniers gagnent 30 % de l’énergie laser initiale. Nous avons aussi développé un modèle simple qui permet de prédire et donc d’optimiser le taux de rétro-diffusion du plasma du fait du développement de l’instabilité SRS. Nous nous intéressons également à la séquence des processus permettant la formation des cavités électromagnétiques. Cette analyse souligne le rôle joué par l’instabilité modulationnelle ou de Benjamin-Feir sur le front de l’impulsion laser qui est divisée en un train de plusieurs solitons électromagnétiques. À l’aide d’une étude détaillée, nous montrons que ces solitons excitent des ondes plasmas dans leur sillage en se propageant dans le plasma, perdent de l’énergie et finissent par être piégés. Ils forment également des dépressions (cavités) des densités électroniques et ioniques du plasma. Ces cavités sont des pièges pour les champs électromagnétiques rayonnés par le plasma (par exemple du fait de l’instabilité SRS) et survivent grâce à un équilibre entre la pression de radiation des champs piégés et les pressions cinétiques électroniques à leurs bords. Ces cavités absorbent une part importante de l’énergie laser mais elles n’en conservent qu’une partie sous forme d’énergie électromagnétique piégée. Le reste de l’énergie permet l’expansion de la cavité, la génération de solitons acoustiques supersoniques et l’accélération de particules.

The laser-accelerated ions draw an increasing interest due to their potential applications and to their unique properties. This manuscript presents a study of the interaction between a relativistic intense laser pulse and a low density plasma. In this regime, the plasma is transparent to the laser pulse and electrons oscillate with relativistic velocities in the field of the incident wave. These conditions make the transfer of the laser pulse energy to the plasma efficient, and therefore are interesting for the ion acceleration. This regime generates also electromagnetic and acoustic solitons whose formation mechanisms and properties need to be better understood. We carry out a detailed analysis of Particle-In-Cell simulations (performed with the code OCEAN) of interaction of an intense laser pulse with a low density plasma.We show that the stimulated Raman scattering (SRS) is the main mechanism responsible for the absorption of laser energy in plasma. This process is very efficient : it leads to the transfer of 70 % of the laser pulse energy to electrons. This instability occurs in plasmas with a density larger than the quarter critical one due to the decrease of the electron plasma frequency and develops in a very short time scale. It leads to an homogeneous electron heating all along the distance of propagation of the laser pulse through the plasma. The ions are efficiently accelerated at the plasma edges and can get nearly 30%of the initial laser energy. This study is accompanied by a simple analytical model which is able to predict and so optimize the laser backscattering fraction due to the development of the SRS instability. We also present a sequence of stages which lead to the formation of electromagnetic cavities. This analysis highlights the role of the modulationnal or Benjamin-Feir instability in the front of the laser pulse, which is split in a train of electromagnetic solitons. Our detailed study shows that these solitons excite plasmas waves in their wake, lose energy and are finally trapped in the plasma. They lead to the formation of density depressions (cavities) which may trap the electromagnetic fields produced in the plasma (by the SRS instability, for example). These structures may survive for a long time thanks to an equilibrium of the trapped field radiation pressure and the electronic kinetic pressure at their borders. These cavities absorb an significant part of the laser energy but only a part of it is trapped inside. The remaining part is invested in the cavity expansion, generation of acoustic solitons and acceleration of charged particles.