ETUDE DE LA PROPAGATION D'IMPULSIONS LASER ULTRA-INTENSES DANS UN PLASMA SOUS-DENSE EN REGIME FAIBLEMENT RELATIVISTE PDF Download
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NOUS PRESENTONS DANS CE MANUSCRIT UNE ETUDE DE L'INTERACTION D'IMPULSIONS LASER ULTRA-INTENSES AVEC UN PLASMA SOUS-DENSE. NOUS NOUS SOMMES PLUS PARTICULIEREMENT INTERESSES A L'INFLUENCE DES EFFETS RELATIVISTES SUR LA PROPAGATION ET A LA MISE EN EVIDENCE DE L'AUTOFOCALISATION RELATIVISTE. CELLE-CI INTERVIENT LORSQUE LA PUISSANCE DU LASER EST SUPERIEURE A UNE PUISSANCE CRITIQUE D'AUTOFOCALISATION. POUR UNE PUISSANCE LASER INFERIEURE A CETTE PUISSANCE CRITIQUE, LA DIVERGENCE DU FAISCEAU EST REDUITE APRES INTERACTION AVEC LE PLASMA. UNE MODELISATION ANALYTIQUE ET NUMERIQUE DE L'INTERACTION MONTRE QUE LA NON-LINEARITE RELATIVISTE EST RESPONSABLE DE CET EFFET OBSERVE EXPERIMENTALEMENT. LORSQUE LA PUISSANCE LASER DEPASSE LA PUISSANCE CRITIQUE, L'AUTOFOCALISATION RELATIVISTE A PU ETRE CLAIREMENT MISE EN EVIDENCE. ALORS QUE LA FOCALISATION DU FAISCEAU DANS LE VIDE PERMET D'ATTEINDRE UN ECLAIREMENT DE 3X10#1#8 W/CM#2, LA SIMULATION DES EXPERIENCES MONTRENT QU'UN ECLAIREMENT DE 5X10#1#9 W/CM#2 EST ATTEINT DANS LE PLASMA APRES AUTOFOCALISATION. D'AUTRE PART, DES FOYERS MULTIPLES APPARAISSENT ET L'IMPULSION EST ALORS GUIDEE SUR UNE DISTANCE TRES SUPERIEURE A LA LONGUEUR DE RAYLEIGH. POUR DES IMPULSIONS D'UNE PICOSECONDE DE DUREE ET UN PLASMA D'HYDROGENE, LES IONS ONT LE TEMPS DE BOUGER PENDANT LA DUREE DE L'IMPULSION, FAVORISANT L'APPARITION D'UN CANAL DE DENSITE ELECTRONIQUE. CELUI-CI EST ALORS RESPONSABLE D'UNE ACCENTUATION DU PHENOMENE DE REDUCTION DE DIVERGENCE ET LA PUISSANCE CRITIQUE D'AUTOFOCALISATION PEUT ETRE REDUITE DANS NOS EXPERIENCES D'UN FACTEUR DEUX
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NOUS PRESENTONS DANS CE MANUSCRIT UNE ETUDE DE L'INTERACTION D'IMPULSIONS LASER ULTRA-INTENSES AVEC UN PLASMA SOUS-DENSE. NOUS NOUS SOMMES PLUS PARTICULIEREMENT INTERESSES A L'INFLUENCE DES EFFETS RELATIVISTES SUR LA PROPAGATION ET A LA MISE EN EVIDENCE DE L'AUTOFOCALISATION RELATIVISTE. CELLE-CI INTERVIENT LORSQUE LA PUISSANCE DU LASER EST SUPERIEURE A UNE PUISSANCE CRITIQUE D'AUTOFOCALISATION. POUR UNE PUISSANCE LASER INFERIEURE A CETTE PUISSANCE CRITIQUE, LA DIVERGENCE DU FAISCEAU EST REDUITE APRES INTERACTION AVEC LE PLASMA. UNE MODELISATION ANALYTIQUE ET NUMERIQUE DE L'INTERACTION MONTRE QUE LA NON-LINEARITE RELATIVISTE EST RESPONSABLE DE CET EFFET OBSERVE EXPERIMENTALEMENT. LORSQUE LA PUISSANCE LASER DEPASSE LA PUISSANCE CRITIQUE, L'AUTOFOCALISATION RELATIVISTE A PU ETRE CLAIREMENT MISE EN EVIDENCE. ALORS QUE LA FOCALISATION DU FAISCEAU DANS LE VIDE PERMET D'ATTEINDRE UN ECLAIREMENT DE 3X10#1#8 W/CM#2, LA SIMULATION DES EXPERIENCES MONTRENT QU'UN ECLAIREMENT DE 5X10#1#9 W/CM#2 EST ATTEINT DANS LE PLASMA APRES AUTOFOCALISATION. D'AUTRE PART, DES FOYERS MULTIPLES APPARAISSENT ET L'IMPULSION EST ALORS GUIDEE SUR UNE DISTANCE TRES SUPERIEURE A LA LONGUEUR DE RAYLEIGH. POUR DES IMPULSIONS D'UNE PICOSECONDE DE DUREE ET UN PLASMA D'HYDROGENE, LES IONS ONT LE TEMPS DE BOUGER PENDANT LA DUREE DE L'IMPULSION, FAVORISANT L'APPARITION D'UN CANAL DE DENSITE ELECTRONIQUE. CELUI-CI EST ALORS RESPONSABLE D'UNE ACCENTUATION DU PHENOMENE DE REDUCTION DE DIVERGENCE ET LA PUISSANCE CRITIQUE D'AUTOFOCALISATION PEUT ETRE REDUITE DANS NOS EXPERIENCES D'UN FACTEUR DEUX
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DIFFERENTS ASPECTS DE L'INTERACTION D'UNE IMPULSION ULTRA-COURTE ET ULTRA-INTENSE AVEC UN PLASMA SOUS-DENSE ONT ETE ETUDIES ANALYTIQUEMENT ET NUMERIQUEMENT. CES ETUDES PRESENTENT UN INTERET POUR L'ACCELERATION LASER DE PARTICULES DANS LES PLASMAS, LES LASERS A RAYONS X, LA GENERATION D'HARMONIQUES D'ORDRE ELEVE, LE CONCEPT D'ALLUMEUR RAPIDE POUR LA FUSION PAR CONFINEMENT INERTIEL. ON A UTILISE LE CODE PARTICULAIRE RELATIVISTE WAKE DEVELOPPE PRECEDEMMENT A L'ECOLE POLYTECHNIQUE. CE CODE A ETE MODIFIE AU COURS DE LA THESE POUR TRAITER LE MOUVEMENT DES IONS, POUR CALCULER DES TRAJECTOIRES D'ELECTRONS TESTS, ET POUR INCLURE DES DIAGNOSTICS DIVERS SUR LES CHAMPS ET LES PARTICULES. LES SUJETS TRAITES DANS CETTE THESE SONT LES SUIVANTS : L'ACCELERATION DE PHOTONS DANS LE SILLAGE D'UNE IMPULSION LASER COURTE ET INTENSE, LA VITESSE DE PHASE DE L'ONDE PLASMA DANS LE SILLAGE D'UNE IMPULSION LASER AUTO-MODULEE, LA CANALISATION RELATIVISTE D'IMPULSION LASER DE DUREE DE L'ORDRE DE LA PERIODE PLASMA, LA DYNAMIQUE IONIQUE DANS LE SILLAGE, LE DEFERLEMENT. ENFIN ON A SIMULE 3 EXPERIENCES DE PROPAGATION D'ONDE LASER ET D'ACCELERATION D'ELECTRONS. VOICI LES PRINCIPAUX RESULTATS DE LA THESE : LA REDUCTION DE LA VITESSE DE PHASE DE L'ONDE PLASMA DANS LE CAS D'UNE IMPULSION LASER AUTO-MODULEE NE JOUE QUE DANS LE CAS D'UN CANAL PREFORME POUR LE GUIDAGE DE L'ONDE LASER. ON A TROUVE DES STRUCTURES SELF-SIMILAIRES POUR DECRIRE LE GUIDAGE RELATIVISTE D'UNE IMPULSION COURTE DANS UN PLASMA. ON A DEMONTRE LA PROPAGATION AUTO-GUIDEE D'IMPULSION INITIALEMENT GAUSSIENNES DE QUELQUES PERIODES PLASMA. ON A MONTRE QUE LA FORCE PONDEROMOTRICE DE L'ONDE PLASMA EXCITEE PAR L'IMPULSION LASER FORME UN CANAL ET LE DEFERLEMENT DANS CE CANAL A ETE ANALYSE EN DETAIL. LES EFFICACITES DE L'ACCELERATION D'ELECTRONS DANS LE CHAMP LASER ET DANS L'ONDE PLASMA ONT ETE COMPAREES. LE DECALAGE EN FREQUENCE D'UNE SONDE SE PROPAGEANT DANS LE SILLAGE PLASMA A ETE ETUDIE DANS DES CONDITIONS CORRESPONDANT A DES EXPERIENCES ACTUELLES.
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De part ses nombreuses applications scientifiques et sociétales comme la radiographie protonique ou encore la protonthérapie, l'accélération d'ions par laser suscite un grand intérêt. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre et présente une étude de l'interaction d'une impulsion laser d'intensité relativiste avec un plasma de densité modérée. Dans ce régime, le plasma est transparent à l'onde laser et les électrons oscillent à des vitesses relativistes dans le champ de l'onde incidente. Ces conditions sont favorables à un transfert efficace de l'énergie laser vers le plasma, et donc sont intéressantes pour l'accélération d'ions par laser. Ce régime permet également la création de solitons électromagnétiques et acoustiques dont les mécanismes de formation et les propriétés nécessitent une meilleur compréhension. Nous réalisons une étude détaillée de simulations Particle-In-Cell (réalisées avec le code OCEAN) de l'interaction d'une impulsion laser intense avec un plasma sous dense. Nous montrons que la diffusion Raman stimulée (SRS) dans le régime relativiste est le principal processus responsable de l'absorption de l'énergie laser par le plasma et qu'il est, en outre, très efficace puisqu'il permet de transférer près de 70 % de l'énergie de l'impulsion laser aux électrons. Cette instabilité apparaît dans des plasmas dont la densité est nettement supérieure à la densité quart-critique du fait de la diminution de la fréquence plasma électronique et se développe sur des temps très courts. Il permet ainsi un chauffage homogène des électrons tout le long de la propagation de l'impulsion laser à travers le plasma. Ces électrons participent à la détente du plasma, et créent sur ses bords raids un champ électrostatique permettant l'accélération des ions. Ces derniers gagnent 30 % de l'énergie laser initiale. Nous avons aussi développé un modèle simple qui permet de prédire et donc d'optimiser le taux de rétro-diffusion du plasma du fait du développement de l'instabilité SRS. Nous nous intéressons également à la séquence des processus permettant la formation des cavités électromagnétiques. Cette analyse souligne le rôle joué par l'instabilité modulationnelle ou de Benjamin-Feir sur le front de l'impulsion laser qui est divisée en un train de plusieurs solitons électromagnétiques. À l'aide d'une étude détaillée, nous montrons que ces solitons excitent des ondes plasmas dans leur sillage en se propageant dans le plasma, perdent de l'énergie et finissent par être piégés. Ils forment également des dépressions (cavités) des densités électroniques et ioniques du plasma. Ces cavités sont des pièges pour les champs électromagnétiques rayonnés par le plasma (par exemple du fait de l'instabilité SRS) et survivent grâce à un équilibre entre la pression de radiation des champs piégés et les pressions cinétiques électroniques à leurs bords. Ces cavités absorbent une part importante de l'énergie laser mais elles n'en conservent qu'une partie sous forme d'énergie électromagnétique piégée. Le reste de l'énergie permet l'expansion de la cavité, la génération de solitons acoustiques supersoniques et l'accélération de particules.
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CETTE THESE DE DOCTORAT, ENTREPRISE EN CO-TUTELLE ENTRE L'INRS-ENERGIE ET MATERIAUX (QUEBEC) ET LE LABORATOIRE LULI DU CNRS (ECOLE POLYTECHNIQUE, FRANCE), VISE A TESTER EXPERIMENTALEMENT CERTAINS DES CONCEPTS RELATIFS A UNE NOUVELLE APPROCHE POUR LA FUSION PAR CONFINEMENT INERTIEL : L'ALLUMEUR RAPIDE (OU FAST IGNITOR). CETTE APPROCHE COMPLEMENTAIRE EST IMAGINEE POUR PROVOQUER UN ALLUMAGE EXTERNE D'UNE CIBLE EN VOIE DE COMPRESSION, CECI GRACE A DES FAISCEAUX LASERS ULTRA-BREFS (FEMTOSECONDES) ET EXTREMEMENT INTENSES (> 10#1#9 W.CM##2). CE CONCEPT NOVATEUR, VENANT EN COMPLEMENT DES ETAPES CLASSIQUES DE COMPRESSION, FAIT APPEL A DEUX ETAPES SUCCESSIVES. DANS UNE PREMIERE PHASE, UNE IMPULSION DOIT SE PROPAGER SUR DES MILLIMETRES DANS LE PLASMA DE COURONNE DU COMBUSTIBLE OU ELLE CREUSE UN CANAL DE DENSITE EVIDE. A CET EGARD, LORS DE CES TRAVAUX, NOUS AVONS (I) DEMONTRE LA FAISABILITE DE CANAUX DE DENSITE CREUX ET (II) MIS EN EVIDENCE DE PHENOMENES COMME LA GENERATION DE FORTS CHAMPS MAGNETIQUES TOROIDAUX STATIQUES ( 30 MG) OU LA GENERATION D'ELECTRONS ULTRA RAPIDES (JUSQU'A 20 MEV). AIDEE PAR CES DIVERS PHENOMENES, NOUS AVONS PU MONTRER QU'A TRES HAUTE INTENSITE, LA PROPAGATION PEUT RESTER EFFICACE SUR DE GRANDES LONGUEURS PAR AUTOGUIDAGE DANS LE CANAL CREE PAR L'IMPULSION ELLE-MEME. DANS UNE SECONDE PHASE, UNE AUTRE IMPULSION DOIT SE PROPAGER DANS LE CANAL ET VIENT INTERAGIR, AU PLUS PRES DU COEUR COMPRIME, AVEC LA MATIERE DENSE. POUR LA PREMIERE FOIS, NOUS AVONS EFFECTIVEMENT DEMONTRE LA TRANSMISSION D'IMPULSIONS TRES INTENSES A TRAVERS DES PLASMAS NETTEMENT SUR-CRITIQUES (CLASSIQUEMENT INTERDITS). ENFIN, NOUS AVONS CONTRIBUE A CARACTERISER LES ELECTRONS SUPRATHERMIQUES GENERES PAR L'IMPULSION INTENSE QUI DOIVENT DEPOSER LEUR ENERGIE DANS LA MATIERE DENSE ET DECLENCHER L'IGNITION. CES DIVERS RESULTATS CONSTITUENT AUTANT D'ENCOURAGEMENTS POUR LE CONCEPT D'ALLUMEUR RAPIDE. POUR TOUS CES TRAVAUX, LE DIALOGUE ETABLI AVEC LES THEORICIENS DU CENTRE DE PHYSIQUE THEORIQUE DE L'ECOLE POLYTECHNIQUE (FRANCE) A ETE ESSENTIEL PUISQU'IL A PERMIS DE METTRE SUR PIED UN PROGRAMME DE COMPARAISON ET DE COMPREHENSION ENTRE EXPERIENCES ET SIMULATIONS. LES SIMULATIONS AINSI VALIDEES VONT PERMETTRE DE REALISER DES PREDICTIONS SUR DE NOUVEAUX REGIMES D'ETUDES ENCORE INACCESSIBLES EXPERIMENTALEMENT.
Author: Arnaud André Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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Lors de le la propagation d'une impulsion laser ultra- intense et ultra-brève dans un plasma sous dense une onde de plasma se forme dans son sillage, susceptible d'accélérer des électrons à des énergies élevées sur de très courtes distances. Dans un régime d'excitation extrêmement non-linéaire, connu sous le nom de régime de la bulle, on peut obtenir des faisceaux mono-énergétiques d'électrons relativistes. Si les faisceaux d'électrons issus de l'interaction sont aujourd'hui bien caractérisés, de nombreux paramètres de l'interaction restent inaccessibles, faute de diagnostics adaptés. Nous avons tenté de répondre à cette problématique au cours de cette thèse, en étudiant à l'aide de simulations numériques comment interpréter le rayonnement issu de l'interaction pour déterminer la dynamique du milieu.La première partie de l'étude est consacrée aux propriétés du rayonnement des électrons accélérés, qui s'étend jusque dans le domaine des X. L'étude des caractéristiques de l'émission doit pouvoir renseigner sur le mouvement des électrons du milieu et plus généralement sur l'interaction laser-plasma. Les études menées dans le cadre de cette thèse montrent qu'en effet l'observation du rayonnement permet de déterminer la direction des électrons du faisceau en fin d'accélération, et dans une certaine mesure, leur répartition à l'intérieur du faisceau.La deuxième partie concerne la propagation en milieu sous dense. Le plasma perturbe l'impulsion au cours de sa propagation, modifiant ses caractéristiques spatiales et spectrales. Nous avons étudié ces effets lorsque le milieu est constitué d'un gaz d'azote puis d'argon. Nos résultats mettent en évidence les contributions respectives de l'auto-modulation de l'impulsion ainsi que celle du gradient de densité électronique créé par l'ionisation des gaz dans leurs différents états de charge. L'étude a été poursuivie dans des conditions d'accélération exploitant un gaz plus léger et à plus haute intensité, dans le régime de la bulle. Nous avons identifié l'origine des variations des conditions d'interaction observées dans la première partie.
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ON A DEVELOPPE AU COURS DE CE TRAVAIL UN CODE DE SIMULATION NUMERIQUE BIDIMENSIONNEL CYLINDRIQUE QUI DECRIT L'INTERACTION D'IMPULSIONS LASER ULTRA-BREVES ET ULTRA-INTENSES AVEC DES GAZ OU DES PLASMAS PEU DENSES. DE PLUS, POUR PERMETTRE UNE COMPARAISON DIRECTE DES PREVISIONS THEORIQUES AVEC LES RESULTATS EXPERIMENTAUX, LES DIAGNOSTICS PRINCIPAUX DE LA PHYSIQUE EXPERIMENTALE DE L'INTERACTION LASER-PLASMA ONT ETE SIMULES. LE NOYAU DU CODE ADOPTE UNE DESCRIPTION PARTICULAIRE DU MILIEU DE PROPAGATION, UNE APPROXIMATION PARAXIALE POUR LA PROPAGATION DE L'ONDE ELECTROMAGNETIQUE ET UNE APPROXIMATION QUASI-STATIQUE POUR LA DESCRIPTION DE L'ACTION DE L'ONDE SUR LE MILIEU. SUR CE NOYAU ON A GREFFE UN MODULE POUR DECRIRE LA FORMATION DU PLASMA PAR IONISATION TUNNEL D'UN MILIEU GAZEUX INITIAL. ENSUITE DES IMPULSIONS LASER DE FREQUENCE DOUBLE ONT ETE AJOUTEES AU CODE AFIN DE SIMULER LA PROPAGATION DE SONDES ELECTROMAGNETIQUES COLINEAIRES AU FAISCEAU PRINCIPAL. D'AUTRES DIAGNOSTICS, TELS QUE LA DIFFUSION THOMSON A 90 DE L'AXE OPTIQUE, ONT ETE INTRODUITS. ENFIN, UN DEUXIEME CODE NUMERIQUE A ETE ELABORE POUR LA REPRISE ET LA PROPAGATION DANS LE VIDE DES ONDES ELECTROMAGNETIQUES. CES DERNIERES ONT DONC PU ETRE ANALYSEES DANS LA REGION DITE DU CHAMP LOINTAIN, C'EST-A-DIRE A L'ENDROIT OU LES DETECTEURS REELS SONT PLACES. AVEC LES OUTILS NUMERIQUES AINSI DEVELOPPES ON A PU REPRODUIRE DES RESULTATS EXPERIMENTAUX DIVERS, AVEC UNE PRECISION INHABITUELLE POUR LES SIMULATIONS DE LA PHYSIQUE DE L'INTERACTION LASER-PLASMA. CES RESULTATS ONT FOURNI DES INDICATIONS IMPORTANTES POUR L'INTERPRETATION ET LA CONCEPTION D'EXPERIENCES DE SILLAGE LASER ET D'AUTOFOCALISATION RELATIVISTE.
Author: T. M. Antonsen Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages :
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It is proposed here to continue their program in the development of theories and models capable of describing the varied phenomena expected to influence the propagation of ultra-intense, ultra-short laser pulses with particular emphasis on guided propagation. This program builds upon expertise already developed over the years through collaborations with the NSF funded experimental effort lead by Professor Howard Milchberg here at Maryland, and in addition the research group at the Ecole Polytechnique in France. As in the past, close coupling between theory and experiment will continue. The main effort of the proposed research will center on the development of computational models and analytic theories of intense laser pulse propagation and guiding structures. In particular, they will use their simulation code WAKE to study propagation in plasma channels, in dielectric capillaries and in gases where self focusing is important. At present this code simulates the two-dimensional propagation (radial coordinate, axial coordinate and time) of short pulses in gas/plasma media. The plasma is treated either as an ensemble of particles which respond to the ponderomotive force of the laser and the self consistent electric and magnetic fields created in the wake of pulse or as a fluid. the plasma particle motion is treated kinetically and relativistically allowing for study of intense pulses that result in complete cavitation of the plasma. The gas is treated as a nonlinear medium with rate equations describing the various stages of ionization. A number of important physics issues will be addressed during the program. These include (1) studies of propagation in plasma channels, (2) investigation of plasma channel nonuniformities caused by parametric excitation of channel modes, (3) propagation in dielectric capillaries including harmonic generation and ionization scattering, (4) self guided propagation in gas, (5) studies of the ionization scattering instability recently identified theoretically and experimentally in the group, and (6) studies of propagation in cluster plasmas. New models will be developed for the harmonic generation of radiation and these will be incorporated in the modeling and simulation.
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Cette thèse constitue une étude experimentale qui s'inscrit dans le cadre de l'interaction laser-plasma en régime relativiste. Le couplage du laser au plasma provoque l'apparition de nombreux phénomènes nonlinéaires tels que l'autofocalisation relativiste, les instabilités Raman, I'excitation et le déferle-ment d'ondes plasma. Dans ce régime dit du "sillage automodulé", ces effets se combinent et aboutissent à l'accélération des électrons du plasma à des vitesses relativistes. Dans une première partie, les effets nonlinéaires ont d'abord été étudiés. Une méthode originale utilisant des impulsions laser à dérive de fréquence a permis de mesurer la dynamique temporelle des instabilités Raman. Les ré-sultats ont montré que l'instabilité Raman arrière a lieu sur le front montant de l'impulsion et que le Raman avant est plutôt situé en queue d'impulsion. L'autofocalisation a également été étudiée à l'aide d'un diagnostic d'ombro-scopie. Les résultats ont montré que la puissance n'est pas le seul paramètre régissant l'autofocalisation : la durée de l'impulsion laser doit être comparée au temps de mouvement des particules dans le plasma: Wp-1 pour les électrons et Wpi-1 pour les ions. En particulier, lorsque la durée d'impulsion est trop courte, I'autofocalisation relativiste n'a pas lieu. Dans une deuxième partie, on discute de la production d'une source d'électrons relativistes (O à 70 MeV) à partir d'un laser à 10 Hz (35 fs, 600 mJ). Cette source d'électrons brillante (10 puissance 10 électrons), à spectre Maxwellien et potentiellement courte (
Author: FRANCOIS.. JAKOBER
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Author: ANDREI.. SOLODOV
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