Laser ultra intense sur plasmas denses : dynamiques périodiques vers chaotiques

Ultra-High Intense Laser on Dense Plasmas : from Periodic to Chaotic Dynamics

• Auteur / Autrice : Guillaume Blaclard
• Direction : Guy Bonnaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/07/2020
• 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-....) - Lawrence Berkeley laboratory (San Francisco, Calif.)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marcel Rax
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Marcel Rax, Paul Gibbon, Jérôme Faure, Julia Mikhailova, Laurent Yvan André Gremillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paul Gibbon, Jérôme Faure

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génération d'harmoniques d'ordre élevé

Lasers femtoseconde

Plasmas produits par laser

Interactions laser-plasma

Électrons relativistes

Mots clés libres

Chaos

Miroirs plasmas relativistes

Simulation PIC (Particle-In-Cell)

Solveurs de Maxwell pseudo-spectraux

Mécanismes de couplage

Génération d'harmonique Doppler

Chaos

Relativistic plasma-mirrors

PIC (Particle-In-Cell) simulations

Pseudo-spectral Maxwell solvers

Coupling mechanisms

Doppler harmonic generation

Résumé

L'émergence des lasers ultra-brefs et ultra-intenses a permis le développement d'une nouvelle branche de la physique encore largement inexplorée : la physique UHI (pour Ultra-High Intensity). Lors de la réflexion d'un tel laser sur une cible solide, l'intensité au foyer I₀ peut atteindre des valeurs aussi importantes que 10¹⁸⁻²⁰ W.cm⁻², suffisamment pour ioniser complétement la matière. Le plasma ainsi formé se détend sur une longueur caractéristique Lg, nommée longueur de gradient. Quand Lg <<λ₀ (longueur d'onde du laser), le plasma dense se comporte comme un miroir de qualité optique capable de réfléchir spéculairement la lumière incidente : c'est un miroir plasma. Ce système physique remarquable peut être utilisé dans de multiples applications principalement comme source compacte de faisceaux de particules à hautes charges et hautes énergies ou de lumière intense, principalement ultraviolet ou X, grâce à un phénomène de génération d'harmoniques d'ordres élevés. Le bon contrôle de ces sources nécessite de clairement identifier les différents mécanismes de couplage entre lumière et matière en jeu lors de l'interaction. Dans ce manuscrit, cela est rendu possible grâce à de précises simulations de type Particle-In-Cell (PIC) réalisées avec le code WARP+PXR. Ce nouveau code emploie un solveur pseudo-spectral pour résoudre les équations de Maxwell. Celui-ci améliore grandement la précision des simulations et notamment des émissions harmoniques et électroniques, que les solveurs plus standards ne parviennent à décrire, même à hautes résolutions. Grâce à des simulations WARP+PXR, nous avons étudié l'influence de Lg sur les observables expérimentales que sont les émissions de lumière et de particules, quand un laser de puissance (I₀ = 10¹⁹ W.cm⁻²) se réfléchit sur un plasma dense. Notre étude révèle une claire transition entre un mécanisme périodique en temps et un processus chaotique quand l'interface devient plus lisse. Nous nous sommes principalement concentrés sur le deuxième mécanisme, appelé chauffage stochastique pour lequel des études en profondeur vont être menées en fonction de différents paramètres d'interaction. Dans ce régime, les électrons de la partie sous-dense du plasma subissent une dynamique chaotique dans l'onde stationnaire formée par la superposition des ondes incidente et réfléchie, ce qui leur permet d'absorber une importante part de l'énergie laser. La nature fondamentale de la dynamique en jeu est révélée grâce aux équations du mouvement au sein des deux ondes que l'on peut réduire en équations de pendules forcés (comme celui de Kapitza), systèmes bien connus comme chaotiques. Cette correspondance apporte une intuition physique profonde sur le comportement des électrons pour différentes configurations laser. Ceci nous permet in fine de prédire les principaux aspects du chauffage stochastique.

The advent of high power femtosecond lasers has paved the way to a promising and still largely unexplored branch of physics called Ultra-High Intensity physics (UHI). Once such a laser is focused on a solid target, the laser intensity I₀ can reach values as large as 10¹⁸⁻²⁰ W.cm⁻², for which matter is fully ionized. The plasma thus formed expands towards vacuum on a spatial scale characterized by a quantity Lg called the density gradient scale length. When Lg << λ₀ (laser wavelength), the dense plasma therefore acts as an optical mirror that specularly reflects the incident light: it is a plasma mirror. This remarkable physical system can be used in many scientific applications as compact source of high-energy and high-charge particle beams (electrons, ions) or bright source of radiations ranging from extreme ultraviolet-rays to X-rays through high harmonic generation processes. In order to finely control these sources, it is required to properly identify the different coupling mechanisms between light and matter at play during the interaction. In this manuscript, this has been made possible by performing accurate Particle-In-Cell (PIC) simulations with the WARP+PXR code. This recently developed code advances Maxwell’s equations in Fourier space, which proves to correctly model harmonic/electron emissions that standard codes fail to accurate describe even at high resolution. Based on WARP+PXR PIC simulations, we investigate the influence of Lg on the experimentally observed emission of light and particles, when a high-power laser pulse (I₀ = 10¹⁹ W.cm⁻²) reflects off a dense plasma. Our study reveals an unambiguous transition from a temporally periodic mechanism to a chaotic process as the interface becomes smoother. In particular, the latter mechanism, named stochastic heating, is fully characterized as well as its domain of validity in terms of laser-plasma parameters. In this regime, electrons in the underdense part of the gradient are exposed to the standing wave formed in front of the overcritical part of the plasma by superposition of incidence and reflected beams. While evolving in the two waves, electrons behave chaotically and absorb an important fraction of the laser energy. The nature of the interaction is revealed by reducing the equations of motion of particles in two waves to physical systems, such Kapitza’s pendulum, well-known to exhibit chaos. That correspondence gives deep physical intuitions on how electrons behave in different laser configurations, which allows us to predict major features of stochastic heating.