Modeling electron acceleration driven by relativistic intensity few-cycle laser pulses on overdense plasmas

par Neïl Zaim

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Jean-Marcel Rax et de Jérôme Faure-Vincent.

Soutenue le 03-12-2019

à l'Université Paris-Saclay (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'Optique Appliquée (Palaiseau) (laboratoire) .

Le président du jury était Sophie Kazamias.

Le jury était composé de Jean-Marcel Rax, Jérôme Faure-Vincent, Emmanuel d' Humières, Luís O. Silva, Victor Malka, Guy Bonnaud.

Les rapporteurs étaient Emmanuel d' Humières, Luís O. Silva.


  • Résumé

    Nous étudions dans cette thèse théorique et numérique l'accélération d'électrons lors de l'interaction entre une impulsion laser d'intensité relativiste et un plasma surdense. Cette interaction est très sensible au profil de densité sur la face avant du plasma et deux régimes différents, correspondant à deux thématiques de recherche développées dans cette thèse, peuvent être considérés.Premièrement, pour des interfaces plasma-vide très abruptes, les mécanismes menant à l'émission d'électrons sont bien compris. Les électrons gagnent en particulier une grande quantité d'énergie lors de leur interaction dans le vide avec l'impulsion laser réfléchie. Nous proposons d'optimiser cette accélération en utilisant des faisceaux polarisés radialement, qui sont caractérisés par la présence d'un fort champ longitudinal, capable d'accélérer directement les électrons dans la direction de propagation du laser. Nous montrons que les plasmas surdenses conduisent à une accélération plus efficace que les autres méthodes existantes pour injecter des électrons dans une impulsion polarisée radialement. Ce résultat a été confirmé par des expériences effectuées récemment au CEA Saclay, au cours desquelles la possibilité d'accélérer des électrons dans la direction longitudinale, menant ce faisant à une diminution de la divergence angulaire du faisceau d'électrons, a été démontrée.Deuxièmement, pour des gradients de densité plasma plus grands, l'interaction n'est pas aussi bien comprise. Nous analysons des résultats expérimentaux obtenus récemment au LOA avec des impulsions de quelques cycles optiques et nous montrons que les électrons sont accélérés par une onde de sillage laser formée dans la partie quasi-critique du plasma. Ce processus ne se produit qu'avec des impulsions de quelques cycles optiques, en accord avec la condition de résonance, et se distingue par la rotation des ondes plasmas causée par le gradient de densité.

  • Titre traduit

    Modélisation de l'accélération d'électrons par des impulsions lasers relativistes de quelques cycles optiques sur des plasmas surdenses


  • Résumé

    This theoretical and numerical thesis is devoted to electron acceleration from the interaction between a relativistic intensity laser pulse and an overdense plasma. This interaction is very sensitive to the density profile at the plasma front surface and two different regimes, which correspond to two distinct lines of research investigated in this thesis, can be considered.First, for sharp plasma-vacuum interfaces, the mechanisms responsible for electron emission are well understood. The electrons receive in particular a large energy gain from their interaction in vacuum with the reflected laser. We propose to optimize the acceleration by using radially polarized beams, which exhibit a strong longitudinal electric field that can directly accelerate electrons in the laser propagation direction. We show that overdense plasmas lead to more efficient acceleration than other existing methods for injecting electrons into a radially polarized pulse. This result was confirmed by recent experiments performed at CEA Saclay, in which electron acceleration in the longitudinal direction, leading to a decrease in the electron beam angular spread, is demonstrated.Secondly, for larger plasma gradient scale lengths, the interaction is not as well understood. We analyze recent experiments performed in this regime at LOA with few-cycle pulses and find that electrons are accelerated by a laser wakefield formed in the near-critical part of the plasma. This process can only be driven by few-cycle pulses, by virtue of the resonant condition, and is characterized by the rotation of the plasma waves induced by the density gradient.


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