Propagation d’une impulsion laser intense dans un plasma sous-dense : creusement de canal et diffusion Raman stimulée

Propagation of an intense laser pulse in an under-dense plasma : channeling and stimulated Raman scattering

• Auteur / Autrice : Alexandre Friou
• Direction : Didier Bénisti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 21/11/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (Arpajon). Direction des application militaires Île-de-France
• Jury : Président / Présidente : Julien Fuchs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Bénisti, Julien Fuchs, Stefan Hüller, Stephan Brunner, Claude Deutsch, Erik Lefebvre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Julien Fuchs, Stefan Hüller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes de plasma

Fusion nucléaire par confinement inertiel

Laser Mégajoule

Mots clés libres

Creusement de canal

Laser

FCI

Fusion

Plasma

Raman

Instabilité de reptation

Filamentation

Laser channeling

Laser

ICF

Fusion

Plasma

Raman

Hosing instability

Filamentation

Résumé

Cette thèse se décompose en deux parties : i) l’étude du creusement d'un canal dans un plasma sous-dense (0.1nc<n<nc, nc étant la densité critique) de plusieurs centaines de microns par une impulsion laser de durée 1-10 ps et d'intensité 10^18 à 10^20 W/cm² ; ii) les mécanismes de saturation de la diffusion Raman arrière stimulée d'une impulsion laser de durée ps et d'intensité 10^14 à 10^16 W/cm². Le creusement d’un canal plasma par un laser très intense a fait l’objet d’une étude paramétrique à l’aide d’un code PIC (Particle In Cell) 2D. On obtient différents types de canaux en fonction des paramètres du laser et du plasma, reproduisant ainsi et élargissant des résultats précédent. De plus, la vitesse de creusement du canal a été mesurée, et des lois d’échelle ont été établies pour les plasmas homogènes. Elles sont ensuite appliquées à des plasmas inhomogènes, du type de ceux rencontrés lors de la fusion par confinement inertiel (FCI). Cela permet de prévoir l’énergie nécessaire pour creuser un canal jusqu’à la densité critique, étape importante de la FCI par allumage rapide. La saturation du Raman a été étudiée d'un point de vue numérique, pour déterminer si la cause de la saturation était due au déphasage ou à la croissance d'une onde satellite (« sideband »), en utilisant diverses approches. La première est de regarder les résultats de simulations Raman (donc électromagnétiques) à partir de codes cinétiques PIC et Vlasov. La deuxième, consiste à regarder ce qui se passe lorsque l'on initialise un plasma avec une fonction de distribution issue de la théorie adiabatique à l'aide d'un code Vlasov (donc dans une version purement électrostatique). Dans ce cas, on observe bien la croissance d'une onde satellite, dont le nombre d'onde dominant, ainsi que le taux de croissance sont en bon accord avec ce que l'on observe dans les simulations cinétiques. Au final, la saturation de l’onde plasma peut être causée par les deux mécanismes de saturation.

This thesis is divided in two parts : i) the laser channeling in hundreds of microns long under-dense plasmas (0.1nc<n<nc, nc being the critical density) of a laser pulse of intensity 10^18 to 10^20 W/cm² and duration 1-10 ps; ii) the saturation mechanisms of stimulated Raman back-scattering of a laser pulse of intensity 10^14 to 10^16 W/cm² and duration of about 1 ps. A parametric study was performed to study the channeling of a very intense laser pulse, using a 2D PIC (Particle In Cell) code. Various kinds of channels were obtained depending on the laser and plasma parameters, thereby reproducing and enlarging previous studies. Moreover, the channeling velocity was measured and scaling laws were established for homogeneous plasmas. They are then applied to inhomogeneous plasmas, similar to those encountered in inertial confinement fusion (ICF). It is then possible to estimate the energy necessary to channel to the critical density, an important step for the fast ignition scheme of ICF. Raman saturation was studied using numerical simulations, in order to determine if it is due to dephasing or to the growth of sidebands, using different approaches. The first is to study Raman simulations (electromagnetic) performed with kinetic PIC and Vlasov codes. The second, is to study the evolution of a plasma initialized with a distribution function after the adiabatic theory, using a Vlasov code (electrostatic). In this case, we observe the growth of a sideband, with dominant wavenumber and growth rate in good agreement with kinetic simulations. The saturation of the plasma wave can be caused by both saturation mechanisms.