Augmentation de l'énergie des faisceaux de proton accélérés par laser ultra-intense et étude des caractéristiques des faisceaux accélérés par laser ultra-court

Energy increase of laser driven proton beams driven by ultra high intensity lasers and characterization of proton beams accelerated by ultra short laser pulses

• Auteur / Autrice : Sébastien Buffechoux
• Direction : Jean-Claude Kieffer, Julien Fuchs
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 09/05/2011
• Etablissement(s) : Paris 11 en cotutelle avec Institut national de la recherche scientifique (Québec, province)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Modélisation et Instrumentation en Physique, Energie, Géosciences et Environnement (Orsay, Essonne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (Palaiseau, Essonne ; 1997-....) - LULI
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Claude Kieffer, Julien Fuchs, Philippe Martin, Robert Fedosejevs, François Martin, Gilles Maynard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Martin, Robert Fedosejevs

Mots clés

Mots clés contrôlés

Faisceaux de protons

Accélérateurs de protons

Interactions laser-plasma

Mots clés libres

Laser

Plasma

Particules

Laser

Plasma

Particles

Résumé

De rapides avancées technologiques ont autorisé depuis le début des années 1980 un développement important des lasers de puissance et ont ouvert la voie aux régimes d’interaction laser-matière relativiste. L’accès aux intensités lumineuses supérieures à 1.1018 W.cm-2 a ainsi donné la possibilité à la communauté scientifique d’explorer une nouvelle physique riche d’applications. Bien que le principal moteur ait historiquement été constitué par les recherche sur la fusion par confinement inertiel, l’astrophysique de laboratoire, la génération de rayonnement (harmoniques, bétatron, X) ou la génération de particules énergétiques (électrons, ions) élargissent de plus en plus ce domaine d’étude.En effet, les très bonnes qualités des sources lumineuses et des sources d’ions créées par laser laissent fortement envisager qu’elles viendront un jour remplacer les sources conventionnelles comme les synchrotrons ou les accélérateurs qui sont des machines très coûteuses.Dans le cadre de cette thèse, une attention toute particulière a été portée à l’accélération d’ions qui a déjà montré son fort potentiel en termes de qualité des faisceaux accélérés. Malheureusement, ses applications sont encore limitées (radiographie, chauffage isochorique) à cause de paramètres limitants comme la divergence du faisceau, le spectre large ou l’énergie maximale atteinte par ces faisceaux. Au cours de ce travail de thèse, l’accent a plus particulièrement été mis sur l’augmentation de l’énergie maximale des faisceaux de protons dans le cadre des régimes à ultra haute intensité (supérieur à 1.1019W.cm-2). Cette recherche s’est orientée suivant deux axes principaux (impulsions longue et courtes), qui ont donné lieu à de nombreux échanges et au renforcement de la collaboration entre les laboratoires du LULI à l’École Polytechnique (France) et l’INRS-EMT (Canada).Dans le cadre des recherches menées au sein du LULI, des techniques innovantes ont pu être explorées afin de poursuivre la compréhension des mécanismes et d’améliorer les qualités de l’accélération d’ions à partir d’impulsion “longues” (entre 300 fs et 1,5 ps). Nous avons montré que l’utilisation de cibles ayant des dimensions transverses réduites permettait le confinement géométrique des électrons dans la zone d’impact du laser et augmentait ainsi significativement le taux de conversion de l’énergie laser vers les protons et l’énergie maximale atteinte par le faisceau. Par ailleurs, l’utilisation originale d’une optique plasma refocalisante a démontré son efficacité quant à réduire fortement la surface de focalisation du laser, conduisant à augmenter son intensité et donc l’énergie de coupure des faisceaux d’ions accélérés. Enfin, l’utilisation de deux impulsions laser a mis en évidence qu’une interaction entre les électrons accélérés par chaque impulsion était possible et qu’elle permet de modifier l’énergie et la typologie des faisceaux de protons.Les expériences réalisées au sein de l’INRS-EMT visaient quant à elle à améliorer la compréhension des régimes d’accélération femtoseconde, où peu d’études à ultrahaute intensité existaient au début de cette thèse, et à valider ou non la pertinence de ces régimes. Les nombreuses expériences menées ont clairement établi l’importance du contraste laser et la nécessité que ce derniers soit important pour que l’accélération de protons soit efficace dans ces régimes ultracourts. L’analyse systématique des faisceaux accélérés en face avant et en face arrière d’une cible mince montre que le processus d’accélération manifeste une certaine symétrie et prouve, qu’à énergie laser constante,l’accélération d’ions par laser n’est pas la plus efficace pour la plus courte durée d’impulsion.

Technological improvements since the 1980s have allowed for important developments in the field of high power lasers, thus paving the way for relativistic laser-matter interactions. With laser intensities higher than 1.1018 W.cm-2, the scientific community could explore a new physics, full of promising applications. Historically, laser–plasma interaction research initially aimed at exploring fusion by inertial confinement, but, with the breakthrough of ultra-high power lasers, the scope of research could now be broadened to laboratory astrophysics, radiation generation (harmonics, betatron, X) and the production of high energy particles (electrons, ions). Regarding the latter, radiation and ion sources are of such excellent quality that they might in the future replace current conventional sources like synchrotrons or accelerators, which require very expensive facilities. This thesis focuses particularly on laser-driven ion acceleration, whose accelerated beams have already demonstrated strong potential, e.g. in ultrafast imaging or warm dense matter generation.Within this domain, the present work focused on strategies developed to increase the ion beam energy in the ultrahigh intensity regime (higher than 1.1019 W.cm-2), exploiting as well moderate (400 fs) and short (25 fs) pulses facilities available as a result of the collaboration between the LULI laboratory in France and the INRS-EMT in Quebec. Innovative acceleration techniques have been explored at the LULI laboratory using moderately short laser pulses (400 fs to a few ps). This has been done first by improving our understanding of acceleration physics. Then, confinement of the laser-driven fast electrons that are at the source of the ion acceleration could be obtained by using reduced size targets. With such targets, electron confinement in the acceleration area could be achieved, inducing improvement of the laser to ions conversion efficiency, the ion beam cut off energy, and the ion beam quality. Another strategy that was exploited was to use refocalizing plasma optics to produce strongly reduced laser focal spot sizes. This induces laser intensity increase and thus improvement of the ion beam cut off energy. Finally, we used the combination of two laser pulses to have the electrons accelerated by each laser pulse interact together. When this was the case, we noted an increase of the ion beam cut off energy along with a modification of the beam typology. Complementarily, the experiments carried out using the 200 TW laser system in Quebec aimed at improving our understanding of femtosecond ion acceleration regimes, as only a fewexperimental studies were yet available, and to confirm the relevance of these regimes for ion acceleration. The results obtained with this laser clearly show the important role of the laser pulse contrast ratio, and the need for it to be extremely high to obtain efficient ion acceleration in this ultrashort regime. The systematic recording of accelerated ion beams has showed that a quasisymmetric acceleration from the target front and rear sides is possible. These results have alsoproved that the highest proton energy is not necessarily obtained with the shortest pulse duration when the laser energy is kept constant. Thus, we demonstrated that the shortest pulses available today (i.e. 25 fs) are not the most efficient to accelerate ion beams.