Amélioration des accélérateurs laser-plasma : vers un laser à électrons libres compact

Improvement of laser-wakefield accelerators: towards a compact free electron laser

• Auteur / Autrice : Rémi Lehe
• Direction : Victor Malka
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés libres

Accélérateur laser-plasma

Simulations Particle-In-Cell

Laser à électrons libres

Résumé

Lorsque l'on focalise une impulsion laser courte et intense dans un gazsous-dense, celle-ci peut accélérer une fraction des électrons du gaz,et ainsi générer un faisceau d'électrons ayant une énergie de quelquescentaines de MeV. Ce phénomène, connu sous le nom d'accélérationlaser-plasma, pourrait avoir de nombreuses applications,notamment pour la réalisation de sources de rayons Xultra-intenses appelées lasers à électrons libres (LEL). Cependant,ces applications nécessitent que le faisceau d'électrons ait uneexcellente qualité (faible divergence, faible émittance et faible dispersion en énergie). Au cours de cette thèse, différentes solutions ont été développéesafin d'améliorer la qualité des faisceaux d'électrons issus del'accélération laser-plasma. Ce travail est effectué à travers desmodèles analytiques ainsi que dessimulations Particle-In-Cell (PIC). Nous commençons cependant par montrer que les simulations PIC onttendance à surestimer l'émittance du faisceau, en raison de l'effetCherenkov numérique. Afin d'estimer correctement l'émittance ici, nousproposons un algorithme PIC modifié qui n'est pas sujet à l'effetCherenkov numérique. A l'aide de cet algorithme, un nouveau mécanisme permettant de générerle faisceau est observé puis étudié : il s'agit de l'injection optique transverse. Les faisceaux produits par ce mécanisme sontcaractérisés par une forte charge, une faible divergence et une faibleémittance. Par ailleurs, nous proposons un dispositif - la lentille laser-plasma - qui permet defortement réduire la divergence finale des faisceaux. Cesrésultats sont placés dans leur contexte, à travers une discussion despropriétés nécessaires pour un laser à électrons libres compact. Nousmontrons en particulier que les accélérateurs laser-plasma pourraientêtre avantageusement combinés avec des onduleurs laser-plasmainnovants, afin de produire des sources de rayons X intenses.

When an intense and short laser pulse propagates through an underdensegas, it can accelerate a fraction of the electrons of the gas, andthereby generate an electron bunch with an energy of a few hundreds ofMeV. This phenomenon, which is referred to as laser-wakefield acceleration, has many potential applications, including the design of ultra-bright X-ray sources known as freeelectron lasers (FEL). However, these applications require the electronbunch to have an excellent quality (low divergence, emittance andenergy spread). In this thesis, different solutions to improve thequality of the electron bunch are developed, both analytically and through the use of Particle-In-Cell (PIC) simulations. It is first shown however that PIC simulations tend to erroneously overestimate the emittance of the bunch, due to the numerical Cherenkov effect. Thus, in order to correctly estimate the emittance, a modified PICalgorithm is proposed, which is not subject to this unphysical Cherenkov effect. Using this algorithm, we observed and studied a new mechanism togenerate the electron bunch: optical transverse injection. This mechanism can produce bunches with ahigh charge, a low emittance and a low energy spread. In addition, wealso proposed an experimental setup - the laser-plasma lens- which can strongly reduce the final divergence of the bunch. Finally, these results are put into context by discussing the propertiesrequired for the design of a compact FEL. It is shown in particularthat laser-wakefield accelerator could be advantageously combinedwith innovative laser-plasma undulators, in order to produce brightX-rays sources.