Étude théorique et numérique de la génération d’harmoniques XUV à l’aide de lasers ultra-intenses sur feuilles minces

Theorical and numerical studies of XUV harmonics generation on thin targets under ultra-intense laser illumination

• Auteur / Autrice : Guillaume Bouchard
• Direction : Fabien Quéré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 14/02/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interactions, dynamiques et lasers (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jacques Robert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Richard Taïeb, Valérie Véniard, Emmanuel d' Humières
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Taïeb, Valérie Véniard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génération d'harmoniques d'ordre élevé

Plasmas, Électrodynamique des

Plasmas produits par laser

Mots clés libres

Laser

Plasma

Feuille mince

Électrodynamique

Relativité Restreinte

Harmoniques X-UV

Laser

Plasma

Thin target

Electrodynamics

Special relativity

X-UV Harmonics

Résumé

Lors de la focalisation d’un laser femto seconde ultra-intense (Iλ0² > 10¹⁶ W.cm⁻ ²) sur un solide, le champ laser incident est suffisamment intense pour ioniser presque totalement la cible dès le début de l’impulsion. Ainsi la plus grande partie du laser est réfléchis dans la direction spéculaire par le plasma dense créé jusqu’alors : C’est un miroir plasma. Le champ laser ultra-intense accélère les électrons à la surface alors qu’ils sont extraits du plasma à des vitesses proche de c. À chaque période laser, les électrons sont ainsi la source d’un rayonnement de très haute fréquence, pouvant s’étendre jusqu’à l’extrême ultraviolet voir jusqu’au domaine X. Cette périodicité dans la génération se traduit par l’apparition d’un spectre d’harmoniques de la fréquence laser ω₀. Les électrons sont finalement renvoyés dans le plasma avec des vitesses très proche de la vitesse de la lumière. Bien que les mécanismes de génération dans le domaine XUV soient bien identifiés en réflexion aujourd’hui peu d’études ont été menées pour comprendre d’où pouvait provenir le rayonnement émis dans la direction de transmission. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre l’interaction laser-plasma dans le cas où l’épaisseur de la cible est de l’ordre de la longueur d’onde. En particulier, on étudiera dans l’émission le rôle des jets d’électrons relativistes, renvoyés dans le plasma, lorsque ces derniers traversent la face arrière de la cible. La première partie de ce manuscrit s’intéresse aux mécanismes déjà identifiés pour expliquer la génération d’impulsions XUV dans la direction spéculaire. On se demande alors dans quelles mesures ces modèles sont insuffisants pour décrire le rayonnement émis dans la direction de transmission. La seconde partie de ce manuscrit s’intéresse aux méthodes FDTD (Finite Difference Time Domain) utilisées dans les codes "Particle-in-Cell", en particulier à deux effets numériques induits par cette méthode et potentiellement néfastes pour les simulations : La dispersion numérique et l’instabilité Cherenkov numérique. On essayera ici d’apporter une amélioration aux algorithmes classiques diminuant l’impact de la dispersion et de l’instabilité Cherenkov sur les résultats. Enfin on identifiera un tout nouveau mécanisme de rayonnement XUV cohérent : Le rayonnement cohérent par freinage plasma. Lorsque les électrons quittent le plasma, un champ de charge espace de plusieurs TV apparait sur la surface arrière. Ce champ de freinage longitudinal accélère transversalement les jets d’électrons relativistes créés par les cycles optiques suivants. Ces jets émettent alors des impulsions lumineuses d’une centaine d’attoseconde.

When focusing an ultra-intense femtosecond laser pulse (Iλ0² > 10¹⁶ W.cm⁻ ²) on to a solid, the incident laser field is sufficiently high to ionise almost entirely the target at the very beginning of the pulse.Thus the most part of the laser field is reflected in the specular direction by the overdense plasma created until then : This is what we call a plasma mirror. The electrons, accelerated by the ultra-intense laser field ,are pulled out of the plasma with speeds which are almost equal to the speed of light c. For each laser period, electrons are the sources of a high-frequency radiation that can extend to the Extreme Ultra Violetor X domains. This periodicity in the generation process leads to the emergence of a harmonic spectrum of the laser frequency ω₀. Eventually, electrons are pushed back into the plasma with speeds always very close to c. Even though mechanisms of the XUV radiation are well known in the specular direction today, too few studies were conducted to understand generations process in the transmitted direction.The objective of this PhD thesis is to deepen understanding the laser-plasma interaction for the case where the target thickness is of the wavelength order. In particular, we will study the role of relativistic electronsjets in the forward radiation, when they fly across the target rear side.The first part of this manuscript will essentially deal with the already well-known mechanisms which explain the radiation in the specular direction. We can wonder to what extent these models are not sufficient to describe the forward radiation, in the transmitted direction.The second part of this manuscript deal with FDTD methods (Finite Difference Time Domain) in use in the "Particle-in-Cell" codes, especially two numerical effects induced by these methods potentially harmful for simulations in order to achieve physical results with meaning : Numerical dispersion and Numerical Cherenkov Instabilities. We will try to make an improvement to the algorithms in order to mitigate these two annoying effects. Eventually, we will identify a new coherent XUV radiation mechanism : The coherent plasma bremsstrahlung or coherent plasma braking radiation. When electrons leave the plasma, a several TV space-charge field appear on the target rear side. This braking longitudinal field accelerate electrons jets transversally which was created by next optical cycles. These jets radiate intenselight pulses of hundreds attoseconds.