Modélisation de l'auto-focalisation pondéromotrice d'une impulsion laser dans un plasma avec un code hydrodynamique dans le cadre de la fusion par confinement inertiel en attaque directe

Modelling of ponderomotive laser self-focusing in a plasma with a hydrodynamic code in the context of direct-drive inertial confinement fusion

• Auteur / Autrice : Alessandro Ruocco
• Direction : Vladimir Tikhonchuk, Guillaume Duchateau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Astrophysique, Plasmas, nucléaire
• Date : Soutenance le 27/05/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Lasers Intenses et Applications (Bordeaux ; 1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Stefan Hüller
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vladimir Tikhonchuk, Guillaume Duchateau, Stefan Hüller, Caterina Riconda, Robbie Scott, Arnaud Debayle, Mehdi Tarisien, Philippe Lalanne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Caterina Riconda, Robbie Scott

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interactions laser-plasma

Fusion nucléaire par confinement inertiel

Mots clés libres

Fusion nuclaire par confinement inertie

Ignition par choc

Autofocalisation laser

Inertial fusion

Shock ignition

Laser self-Focusing

Résumé

L'auto-focalisation laser due à la force pondéromotrice constitue un obstacle au succès du programme de fusion par confinement inertiel (FCI) car elle augmente localement l'intensité laser, qui provoque deux effets néfastes: i) diminue l'uniformité de l'onde de choc lancée dans la cible, et ii) accroit la probabilité d'excitation des instabilités paramétriques. Bien que plusieurs techniques optiques aient été mises en œuvre pour atténuer les effets pondéromoteurs, ils restent une préoccupation en cas de croisement de faisceaux ou d'interaction avec une intensité laser élevée comme dans l'allumage par choc.Afin d'améliorer la capabilités interprétatives des codes hydrodynamiques, un module appelé Paraxial Complex Geometrical Optics (PCGO) a été implémenté dans le code hydrodynamique CHIC en géométrie plane bidimensionnelle : une telle méthode est une version améliorée de la technique standard du Ray-Tracing (RT). PCGO tient compte de l'interaction non linéaire laser-plasma telle que la force pondéromotrice et la génération et la propagation d'électrons chauds, généralement négligés dans les simulations hydrodynamiques. Cette approche est également utilisée pour créer des faisceaux laser spatialement modulés par superposition de faisceaux gaussiens PCGO : l'enveloppe d'intensité de ces faisceaux génère des fluctuations d'intensité (`` speckles '') en champ lointain. Bien que cette méthode basée sur PCGO ait amélioré la précision des simulations CHIC, la superposition de faisceaux PCGO produit des speckles laser plus grands et plus longs que dans les expériences, et leur auto-focalisation peut être surestimée.Dans cette thèse, nous développons une méthode pour décrire et contrôler l'auto-focalisation pondéromotrice des speckles dans un plasma stationnaire en utilisant CHIC avec PCGO. Dans un premier temps, nous étudions l'auto-focalisation d'un faisceau PCGO gaussien dans un plasma homogène non absorbant en comparant son comportement à un faisceau de forme gaussienne modélisé avec le code électromagnétique HARMONY. Nous montrons que jusqu’à 4 fois la puissance critique, PCGO reproduit correctement les résultats d'HARMONY.Ensuite, nous considérons l'auto-focalisation d'un speckle PCGO créé par superposition de plusieurs sous-faisceaux, appelé `` multi-beamlet speckle ''. Ce speckle représente une référence pour tout speckle PCGO créé dans CHIC. Nous considérons deux stratégies pour la mise en forme du speckle à faisceaux multiples: aléatoire et régulière. Cette dernière configuration permet d’obtenir de meilleures performances pour contrôler et réduire les effets pondéromoteurs pour un nombre de faisceaux égal à trois.Cette nouvelle configuration a été implémentée dans CHIC et utilisée pour générer des faisceaux multi-speckle dont la distribution des intensités des speckles obéit à une loi exponentielle. Nous avons ensuite étudié l'auto-focalisation d'un faisceau modulé spatialement (faisceau multi-speckle) dans un plasma homogène non absorbant et montré que notre configuration de speckles permet de traiter correctement les effets pondéromoteurs pour différentes intensités laser: cette méthode décrit la modification des statistiques d'intensité de speckle induite par auto-focalisation du speckle et l'interaction entre speckles comme c'est observé dans des simulations électromagnétiques de référence.La dernière partie de la thèse est consacrée à établir une base pour la modélisation de l'autofocalisation laser dans des conditions FCI réelles. A cet effet, nos résultats sont étendus aux plasmas absorbants dont la densité présente un profile linéaire. L'auto-focalisation est étudiée ici pour différentes longueurs de plasma, et l'effet de l'absorption laser est discuté. Il est démontré que la méthode proposée pour la création d'un distribution de speckles à faisceaux multiples fonctionne dans les conditions pertinentes pour l'ICF à entraînement direct.

Ponderomotive laser self-focusing poses a threat to the success of the inertial confinement fusion (ICF) program: it locally enhances the laser intensity, which causes two detrimental effects: i) undermining the uniformity of the shock wave launched into the target, and ii) increasing the onset of laser-plasma instabilities. Despite several optical techniques have been implemented to smooth ponderomotive effects, they still remain a concern in case of crossing beams or in spike pulse-plasma interaction as in shock ignition.In order to ameliorate the interpretation capability of radiation-hydrodynamics simulations, the Paraxial Complex Geometrical Optics (PCGO) module has been implemented in the hydrodynamics code CHIC in two-dimensional planar geometry, and is an improved version of the standard Ray-Tracing technique. PCGO accounts for nonlinear laser-plasma interaction such as ponderomotive force and hot electrons generation and propagation, usually neglected in hydrodynamic simulations. This approach is also used for creating spatially modulated laser beams by superposing Gaussian PCGO beamlets in the far-field. Their intensity envelope generates the intensity fluctuations. Although this PCGO-based method has improved the accuracy of CHIC simulations, the superposition of PCGO beamlets produces larger and longer speckles than real ones, and their self-focusing may be overestimated.In this thesis, we develop a method for describing and controlling the excessive ponderomotive self-focusing developing in PCGO speckles while performing CHIC simulations. This study has been conducted in stationary plasmas. First, we investigate self-focusing of a single Gaussian PCGO beamlet in a homogeneous nonabsorbing plasma by comparing its behavior to a Gaussian-shaped beam modeled with the paraxial electromagnetic code HARMONY. This comparison allows to define the domain of beam power where the PCGO approximation is valid. We found that within 4 times the critical power, PCGO correctly reproduces HARMONY results.Afterwards, we consider the self-focusing of a PCGO speckle created by superposition of several beamlets, referred to as a multi-beamlet speckle. This speckle stands for a reference for any PCGO speckle created in CHIC. The reduction of the speckle intensity enhancement is quantified as a function of the number of superposed beamlets and by considering two strategies for multi-beamlet speckle shaping: random and regular.The latter configuration demonstrates better performances in controlling and reducing ponderomotive effects for a number of beamlets equal to three: our results show that the critical power of a three-beamlet speckle is twice higher compared to the critical power of a Gaussian beam with same characteristics.This novel speckle configuration has been implemented in CHIC and employed to generate multi-speckle beams whose speckle intensity distribution obeys to an exponential law. We then studied the self-focusing of a spatially modulated beam (multi-speckle beam) in a homogeneous nonabsorbing plasma and show that our configuration allows to properly treat ponderomotive effects for different laser intensities: this method describes the speckle intensity statistics modification induced by speckle self-focusing and inter-speckle interaction as observed in electromagnetic simulations.The last part of the thesis is devoted to establish a baseline towards modelling of laser self-focusing in real ICF conditions. For this purpose, our results are extended to absorbing plasmas with a linear density profile. Speckle self-focusing is investigated here for different plasma lengths, and the effect of laser absorption is discussed. It is demonstrated that the proposed method of creation of a multi-beamlet speckle pattern operates in the conditions relevant to the direct-drive ICF. It allows to control efficiently the speckle self-focusing and its effect on the speckle intensity distribution in plasma.