Étude cinétique de la dynamique du couplage d'onde en présence de faisceaux laser lissés spatialement

Kinetic study of the wave coupling dynamics with spatially smoothed laser beams

• Auteur / Autrice : Albertine Oudin
• Direction : Didier Bénisti, Arnaud Debayle, Charles Ruyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matière sous conditions extrêmes (Bruyères-le-Châtel, Essonne ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Krafft
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stefan Hüller, Emmanuel d' Humières, Pierre A. Michel, Vladimir Tikhonchuk
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stefan Hüller, Emmanuel d' Humières

Mots clés

Mots clés contrôlés

Brillouin, Effet

Faisceaux laser

Équations d'onde

Fusion nucléaire par confinement inertiel

Interactions laser-plasma

Mots clés libres

Interaction laser-plasma

Échange d'énergie par croisement de faisceaux

Lissage optique

Fusion par confinement inertiel

Laser-plasma interaction

CBET

Optical smoothing

Inertial confinement fusion

Résumé

Les expériences de fusion par confinement inertiel sur les grandes installations laser, telles que le LMJ à Bordeaux ou le NIF aux États-Unis, nécessitent la propagation des lasers à travers des plasmas de grandes tailles (plusieurs millimètres). Un grand nombre d'instabilités dites de couplages d'ondes peuvent apparaître, et diffusent la lumière dans une direction différente de l'onde électromagnétique incidente. En particulier, les diffusions arrières Raman et Brillouin, ainsi que l'échange d'énergie entre faisceaux laser en résultent. Des techniques dites de lissage optique sont utilisées pour tenter de réduire ces phénomènes. Les faisceaux, une fois lissés, sont constitués de nombreux points chauds micrométriques nommés speckles. Lors de ces expériences, les faisceaux, focalisés autour d'une cible, vont être amenés à se croiser.Le couplage de deux ondes électromagnétiques cohérentes dans un milieu non-linéaire (le plasma), peut induire un échange d'énergie entre les faisceaux. Le croisement des lasers crée un réseau d'interférences, où la force pondéromotrice expulse les électrons. Les ions suivent les électrons à cause de la force de rappel électrostatique. Cela crée une modulation de densité, ou onde acoustique, qui diffracte les ondes électromagnétiques d'un faisceau vers l'autre. Cet échange, nommé Cross-beam Energy Transfer (CBET) a lieu si les lasers ont des fréquences différentes, ou si ces dernières sont égales mais que le plasma est en mouvement dans la direction de l'onde acoustique. Nous avons montré que, bien que ces deux situations soient souvent considérées comme équivalentes dans les modèles hydrodynamiques, elles sont en réalité différentes. Ceci est dû au fait que l'échange est communément calculé en considérant les faisceaux laser comme des ondes planes, c'est-à-dire en négligeant le lissage laser. Afin de démontrer cette non-équivalence, nous avons, dans un premier temps, étudié une situation académique, en considérant le croisement de deux faisceaux lasers constitués chacun de 4 speckles Gaussiens. Différentes simulations ont été effectuées grâce à un code cinétique "particle-in-cell", résolvant les équations de Vlasov et de Maxwell. Les simulations ont montré que lorsque l'interaction est induite par un plasma en mouvement, les modèles du type onde plane sont en mesure de prédire l'échange entre les faisceaux Gaussiens. Au contraire, lorsque l'échange est induit par des fréquences laser différentes, ces modèles surestiment le transfert d'énergie. Nous avons aussi mis en évidence deux configurations distinctes dans le cas où les fréquences laser sont différentes. Dans la première situation, les ondes acoustiques issues de différents croisements de speckles sont en phase, et une interférence constructive résulte de leur interaction. Dans l'autre situation, les ondes sont déphasées ce qui donne une interférence destructive. Nous avons montré que, bien que l'échange soit plus important dans la situation en phase, il demeure inférieur au cas flot de plasma. Le déphasage n'est donc pas la seule cause de la différence entre une interaction avec ou sans flot. Nos résultats ont été obtenus en considérant un plasma faiblement amorti, où l'onde acoustique se propage et peut rencontrer plusieurs croisements de speckles avant que son amplitude n'ait significativement décru. Dans un second temps, nous avons considéré une situation plus proche de celle d'un croisement de faisceaux lissés. Nous avons calculé exactement le champ d'un faisceau laser lissé, ce qui a permis d'effectuer des simulations plus précises et de construire un modèle tenant compte de la structure réelle des speckles. Les résultats précédents ont été confirmés, même dans le cas d'un plasma fortement amorti. Nous avons également pu montrer que les conditions de résonance permettant au transfert d'énergie d'avoir lieu sont elles aussi affectées par le lissage laser. En particulier, le lissage spatial augmente la largeur de résonance.

Inertial confinement fusion experiments on large laser facilities such as the LMJ in Bordeaux or the NIF in the United States, involve the propagation of lasers through large plasmas (several millimeters). A large number of instabilities called wave coupling are likely to appear, and scatter the light in a different direction from the incident electromagnetic wave. In particular, Raman and Brillouin backscattering, as well as energy exchange between laser beams result from these wave couplings. Techniques called optical smoothing are used in large facilities to try to reduce these phenomena. The beams, once smoothed, are composed of many micrometric hot spots called speckles. During these experiments, the beams, focused around a target, are going to cross each other. The coupling of two coherent electromagnetic waves in a non-linear medium (the plasma), can induce an energy exchange between the two beams. The crossing of the lasers creates an interference grating, where the ponderomotive force expels the electrons. The ions follow the electrons due to the electrostatic spring force, generating a density modulation, or acoustic wave, which diffracts the electromagnetic waves from one beam to the other. This exchange, called Cross-beam Energy Transfer (CBET) takes place if the lasers have slightly different frequencies, or if the latter are equal but the plasma is moving in the direction of the acoustic wave. We have shown that, although these two situations are often considered equivalent in hydrodynamic models, they are in fact different. This is due to the fact that the exchange is commonly calculated by considering the laser beams as plane waves, i.e. neglecting the laser smoothing. In order to demonstrate this non-equivalence, we first studied an academic situation, considering the crossing of two laser beams each constituted of 4 Gaussian speckles. Different simulations have been performed with a particle-in-cell kinetic code, solving the Vlasov and Maxwell equations. The simulations showed that when the interaction is induced by a moving plasma, plane wave models are able to predict the exchange between the Gaussian beams. By contrast, when the exchange is induced by different laser frequencies, plane wave models overestimate the energy transfer. Moreover, we were able to distinguish two different configurations for the case where the laser frequencies are different. In the first case, the acoustic waves from different speckle crossings are in phase, and a constructive interference results from their interaction. In the other case, the waves are out of phase resulting in a destructive interference. It has been shown that although the exchange is greater in the in-phase case, the exchange remains lower than in the plasma flow case. The phase shift is therefore not the only source of difference between the two situations in which CBET appears. These results were obtained by considering a weakly Landau-damped plasma, i.e. a situation where the acoustic wave propagates and may encounter several speckle crossings before being damped. In a second step, a more realistic modeling of the smoothed beams has been adopted. For this purpose, the fields of a smoothed laser beam have been computed in an exact way, allowing to perform more accurate simulations and to build a model taking into account the real structure of the speckles. The previous results concerning the non-equivalence between the plasma flow and wavelength shift cases have been confirmed, even in the case of a strongly Landau-damped plasma. We were then able to show that the resonance conditions allowing the energy transfer to take place are also affected by the laser smoothing. In particular, the resonance width is broadened by the spatial smoothing.