Augmentation de l'énergie des faisceaux de proton accélérés par laser ultra-intense et étude des caractéristiques des faisceaux accélérés par laser ultra-court, Energy increase of laser driven proton beams driven by ultra high intensity lasers and characterization of proton beams accelerated by ultra short laser pulses

Sébastien Buffechoux

Description

Sous la direction de Jean Claude Kieffer, Julien Fuchs
Thèse soutenue le 09 mai 2011: INRS-EMT (Québec), Paris 11
De rapides avancées technologiques ont autorisé depuis le début des années 1980 un développement important des lasers de puissance et ont ouvert la voie aux régimes d’interaction laser-matière relativiste. L’accès aux intensités lumineuses supérieures à 1.1018 W.cm-2 a ainsi donné la possibilité à la communauté scientifique d’explorer une nouvelle physique riche d’applications. Bien que le principal moteur ait historiquement été constitué par les recherche sur la fusion par confinement inertiel, l’astrophysique de laboratoire, la génération de rayonnement (harmoniques, bétatron, X) ou la génération de particules énergétiques (électrons, ions) élargissent de plus en plus ce domaine d’étude.En effet, les très bonnes qualités des sources lumineuses et des sources d’ions créées par laser laissent fortement envisager qu’elles viendront un jour remplacer les sources conventionnelles comme les synchrotrons ou les accélérateurs qui sont des machines très coûteuses.Dans le cadre de cette thèse, une attention toute particulière a été portée à l’accélération d’ions qui a déjà montré son fort potentiel en termes de qualité des faisceaux accélérés. Malheureusement, ses applications sont encore limitées (radiographie, chauffage isochorique) à cause de paramètres limitants comme la divergence du faisceau, le spectre large ou l’énergie maximale atteinte par ces faisceaux. Au cours de ce travail de thèse, l’accent a plus particulièrement été mis sur l’augmentation de l’énergie maximale des faisceaux de protons dans le cadre des régimes à ultra haute intensité (supérieur à 1.1019W.cm-2). Cette recherche s’est orientée suivant deux axes principaux (impulsions longue et courtes), qui ont donné lieu à de nombreux échanges et au renforcement de la collaboration entre les laboratoires du LULI à l’École Polytechnique (France) et l’INRS-EMT (Canada).Dans le cadre des recherches menées au sein du LULI, des techniques innovantes ont pu être explorées afin de poursuivre la compréhension des mécanismes et d’améliorer les qualités de l’accélération d’ions à partir d’impulsion “longues” (entre 300 fs et 1,5 ps). Nous avons montré que l’utilisation de cibles ayant des dimensions transverses réduites permettait le confinement géométrique des électrons dans la zone d’impact du laser et augmentait ainsi significativement le taux de conversion de l’énergie laser vers les protons et l’énergie maximale atteinte par le faisceau. Par ailleurs, l’utilisation originale d’une optique plasma refocalisante a démontré son efficacité quant à réduire fortement la surface de focalisation du laser, conduisant à augmenter son intensité et donc l’énergie de coupure des faisceaux d’ions accélérés. Enfin, l’utilisation de deux impulsions laser a mis en évidence qu’une interaction entre les électrons accélérés par chaque impulsion était possible et qu’elle permet de modifier l’énergie et la typologie des faisceaux de protons.Les expériences réalisées au sein de l’INRS-EMT visaient quant à elle à améliorer la compréhension des régimes d’accélération femtoseconde, où peu d’études à ultrahaute intensité existaient au début de cette thèse, et à valider ou non la pertinence de ces régimes. Les nombreuses expériences menées ont clairement établi l’importance du contraste laser et la nécessité que ce derniers soit important pour que l’accélération de protons soit efficace dans ces régimes ultracourts. L’analyse systématique des faisceaux accélérés en face avant et en face arrière d’une cible mince montre que le processus d’accélération manifeste une certaine symétrie et prouve, qu’à énergie laser constante,l’accélération d’ions par laser n’est pas la plus efficace pour la plus courte durée d’impulsion.
-Laser
-Plasma
-Particules
Technological improvements since the 1980s have allowed for important developments in the field of high power lasers, thus paving the way for relativistic laser-matter interactions. With laser intensities higher than 1.1018 W.cm-2, the scientific community could explore a new physics, full of promising applications. Historically, laser–plasma interaction research initially aimed at exploring fusion by inertial confinement, but, with the breakthrough of ultra-high power lasers, the scope of research could now be broadened to laboratory astrophysics, radiation generation (harmonics, betatron, X) and the production of high energy particles (electrons, ions). Regarding the latter, radiation and ion sources are of such excellent quality that they might in the future replace current conventional sources like synchrotrons or accelerators, which require very expensive facilities. This thesis focuses particularly on laser-driven ion acceleration, whose accelerated beams have already demonstrated strong potential, e.g. in ultrafast imaging or warm dense matter generation.Within this domain, the present work focused on strategies developed to increase the ion beam energy in the ultrahigh intensity regime (higher than 1.1019 W.cm-2), exploiting as well moderate (400 fs) and short (25 fs) pulses facilities available as a result of the collaboration between the LULI laboratory in France and the INRS-EMT in Quebec. Innovative acceleration techniques have been explored at the LULI laboratory using moderately short laser pulses (400 fs to a few ps). This has been done first by improving our understanding of acceleration physics. Then, confinement of the laser-driven fast electrons that are at the source of the ion acceleration could be obtained by using reduced size targets. With such targets, electron confinement in the acceleration area could be achieved, inducing improvement of the laser to ions conversion efficiency, the ion beam cut off energy, and the ion beam quality. Another strategy that was exploited was to use refocalizing plasma optics to produce strongly reduced laser focal spot sizes. This induces laser intensity increase and thus improvement of the ion beam cut off energy. Finally, we used the combination of two laser pulses to have the electrons accelerated by each laser pulse interact together. When this was the case, we noted an increase of the ion beam cut off energy along with a modification of the beam typology. Complementarily, the experiments carried out using the 200 TW laser system in Quebec aimed at improving our understanding of femtosecond ion acceleration regimes, as only a fewexperimental studies were yet available, and to confirm the relevance of these regimes for ion acceleration. The results obtained with this laser clearly show the important role of the laser pulse contrast ratio, and the need for it to be extremely high to obtain efficient ion acceleration in this ultrashort regime. The systematic recording of accelerated ion beams has showed that a quasisymmetric acceleration from the target front and rear sides is possible. These results have alsoproved that the highest proton energy is not necessarily obtained with the shortest pulse duration when the laser energy is kept constant. Thus, we demonstrated that the shortest pulses available today (i.e. 25 fs) are not the most efficient to accelerate ion beams.
-Laser
-Plasma
-Particles
Source: http://www.theses.fr/2011PA112031/document

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Extrait

 
THÈSE DE DOCTORAT
Spécialité : Physique des plasmas

 
Présentée par
BUFFECHOUX Sébastien
Pour obtenir le grade de

Philosophiae DOCTOR
de
L’UNIVERSITÉ PARIS SUD XI
et de
L’université du Québec, INRS-ÉMT

Augmentation de l'énergie des faisceaux de protons accélérés
par laser ultra-intense et étude des caractéristiques des
faisceaux accélérés par laser ultra-court.

Jury d’évaluation :

Philippe Martin Rapporteur (IRAMIS, CEA, France).
Robert Fedosejevs (DECE, University of Alberta, Canada).
François Martin Président du jury (INRS-EMT, Canada).
Gilles Maynard examinateur (Université Paris XI, France).
Jean Claude Kieffer Directeur de thèse (INRS-EMT, Canada).
Julien Fuchs (LULI, France).

Thèse préparée au LULI à l’école Polytechnique (France) et à l’INRS-EMT (Canada).
tel-00600647, version 1 - 15 Jun 2011tel-00600647, version 1 - 15 Jun 2011Remerciements :
Cette thèse effectuée en cotutelle entre le laboratoire du LULI en France et l’INRS-EMT au
Québec n’aurait jamais été une expérience aussi enrichissante et aboutie sans le précieux soutien
de mes encadrants et de mes collègues qui sont pour la plupart devenus avant tout mes amis. Tout
au long de ce travail de recherche, j’ai pu rencontrer des gens passionnants et doués qui m’ont
beaucoup appris. Ceci a notamment été permis par cette chance qu’on m’a offerte de profiter de
nombreuses fortes collaborations nationales et internationales ainsi que de participer aux
campagnes d’expériences réalisées sur des installations laser d’envergure à l’étranger.
Tout d’abord, je tiens donc à remercier sincèrement les directeurs de mes laboratoires
d’accueil, François Amiranoff et Jean-Claude Kieffer, qui m’ont donné la chance d’écrire une page
de science au sein de leur laboratoire d’excellence. Un grand merci à l’ensemble du personnel
administratif et technique du LULI et de l’INRS, sans qui rien de mon travail n’aurait pu se faire.
Merci également aux différentes équipes qui ont permis d’accueillir nos expériences extérieures
dans les meilleures conditions, notamment au RAL sur VULCAN (GB) ou à SANDIA (É-U).
Un grand merci encore à l’ensemble des membres de mon jury, pour avoir lu avec attention
mon manuscrit et s'être déplacés à Montréal pour étudier et juger mon travail de recherche. Je suis
très touché par vos rapports constructifs, positifs et élogieux.
Je souhaite également remercier très sincèrement mon directeur de thèse français, Julien
Fuchs, sans qui cette thèse n’aurait jamais pu être aussi intéressante, riche et bien remplie. C'est
autant grâce à son hyperactivité scientifique entraînante, mais difficile à suivre que grâce à sa
passion et sa motivation permanente pour la science que j'ai pu me plonger en profondeur dans
cette physique de l’interaction laser-plasma et me retrouver au cœur de ses avancées. L’autonomie
qu’il m'a accordée tout au long de ma recherche est une remarquable démonstration de confiance.
Merci également à Patrick Audebert qui avait pris la direction officielle de ma thèse avant
que Julien obtienne son HDR. Merci pour son soutien permanent, son encouragement et les
discutions que nous avons pu avoir et qui m’ont donné une approche différente de la science et de
ma carrière scientifique.
Henry Pepin a également beaucoup contribué dans ce sens à élargir ma vision des choses,
c’est pourquoi je tiens également à le remercier pour ceci, mais également pour son enthousiasme
permanent.
tel-00600647, version 1 - 15 Jun 2011Je remercie ensuite bien évidemment Jean-Claude Kieffer, qui, également en qualité de
directeur de thèse, m'a offert cette chance, son soutien et son écoute tout au long de ces années de
thèse, malgré les nombreuses responsabilités qui lui incombaient.
Un grand remerciement à Sylvain Fourmaux, avec qui j’ai pu passer des journées
interminables en manip à sauter de problème en problème et sans qui les expériences au Québec
n’auraient pas pu se faire. Souvent « dans le jus », il a su m'accorder rapidement patience,
confiance et autonomie tout en restant toujours disponible pour que les choses avancent bien.
Impossible de ne pas remercier Motoaki Nakatsutsumi, avec qui j’ai effectué l’ensemble de
mes expériences du côté LULI. J'ai eu grand plaisir à travailler avec lui au cours de journées et de
semaines interminables, à aligner dans l’obscurité un faisceau invisible. Merci pour ces currys à 23
h et ces départs en randonnée à 5 h du matin! Un grand merci à Frédéric qui a beaucoup contribué
à ma compréhension de la physique en répondant toujours à mes incessantes questions! Merci à
Bruno pour toutes ces grandes conversations que nous avons pu avoir à toute heure de la journée et
qui changeaient bien les esprits, ainsi que pour toutes les défaites cuisantes au tennis qu’il m’a
infligé. Merci à Alessandra d'avoir courageusement tenté d'améliorer mon niveau pour m’éviter
ces défaites. Merci à mes partenaires (Kim, Ale, Jean-Raphael & Co) d’escalade, de snowboard, de
surf … qui auraient rêvé que nos laboratoires soient au milieu de la forêt de Fontainebleau, sur les
plages de Lacanau ou à Praz-sur-Arly. Un grand merci aussi à tous mes colocataires de bureau que
j’ai vu passer au cours de ces belles années de thèse (Ana, Livia, Hans…) et à toutes les âmes du
LULI avec qui j’ai pu discuter de sujets passionnants.
Merci à Stéphane, Joël et « The Probe » pour ces nuits interminables à écouter des Français
chialer et entendre dire que l’énergie laser n’était jamais suffisante ou que les expériences ne
fonctionnaient pas à cause du laser ! Merci à Marco et à « Stone Invert-Ass » pour leur
investissement permanent au bon fonctionnement des expériences. Merci aux joueurs de poker
(Xavier, Anata & Co) avec qui j’ai passé de bonnes soirées pour me remettre des manips. Un grand
merci à deux filles super, Cécile B. et Karina avec qui j’ai pu partager bien plus qu’une colocation
ou une bière.
Un grand merci à mes amis de longue date de Chauconin, d’Orsay … à qui je n’ai pas
forcément accordé beaucoup de temps, mais à qui je tiens beaucoup. Bien entendu un très grand
merci à toute ma famille qui m’a soutenu et supporté tout au long de ces interminables études. Je
leur dois beaucoup dans l’aboutissement de mes projets d’étudiants. Pour clôturer tous ces
remerciements, un sincère merci à celle qui a supporté la naissance de ma thèse.

GOOD JOB… Merci à tous!!
tel-00600647, version 1 - 15 Jun 2011Résumé :
Les récentes et rapides avancées technologiques de la technologie laser ont permis de réaliser
des progrès importants notamment pour ce qui est des lasers de puissance et ont ouvert la voie au
régime d’interaction laser-matière relativiste. L’accès aux intensités lumineuses supérieures à
18 -21.10 W.cm a ainsi donné la possibilité à la communauté scientifique d’explorer une nouvelle
physique riche d’applications. Bien qu’historiquement le principal moteur de ces recherches ait été
la fusion par confinement inertiel, l’astrophysique de laboratoire, la génération de rayonnement
(harmoniques, bétatron, X) ou la génération de particules énergétiques (électrons, ions) motivent
de plus en plus ce domaine d’étude. En effet, les très bonnes qualités des sources lumineuses et des
sources d’ions créées par laser laissent fortement envisager qu’elles pourraient un jour remplacer
les sources conventionnelles comme les synchrotrons ou les accélérateurs qui sont des machines
très coûteuses.
Dans le cadre de cette thèse, une attention toute particulière a été portée à l’accélération
d’ions, une application qui a déjà montré son fort potentiel, notamment du fait de la qualité des
faisceaux accélérés. Malheureusement, ces applications sont encore limitées (radiographie,
chauffage isochorique) à cause de paramètres limitants comme la divergence du faisceau, le
spectre large ou l’énergie maximale atteinte par ces faisceaux. Au cours de ce travail de thèse,
l’accent a plus particulièrement été mis sur l’augmentation de l’énergie maximale des faisceaux de
19 -2protons dans le cadre des ré