Interaction d'une impulsion laser intense avec un plasma sous dense dans le régime relativiste PDF Download
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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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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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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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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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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.
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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 (
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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: 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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L'OBJECTIF DE CE TRAVAIL ETAIT DE CARACTERISER LE CHAUFFAGE ET LE TRANSPORT DES ELECTRONS ET DES IONS LORS DE L'INTERACTION D'UNE IMPULSION LASER ULTRA-INTENSE AVEC UN PLASMA DENSE. LE PRINCIPAL OUTIL DE CETTE ETUDE EST LA SIMULATION NUMERIQUE, A BASE DE CODES CINETIQUES PARTICULAIRES. LORS DE L'INTERACTION, LES ELECTRONS DE LA SURFACE DE LA CIBLE SONT ACCELERES A DE HAUTES ENERGIES VERS L'INTERIEUR DE CELLE-CI. NOUS AVONS MONTRE QUE LES MECANISMES D'ACCELERATION ELECTRONIQUE DEPENDENT FORTEMENT DE LA DEFORMATION DU PROFIL DE DENSITE DUE AU MOUVEMENT IONIQUE. CE DERNIER A AUSSI ETE ETUDIE ET DIFFERENTS MECANISMES D'ACCELERATION ONT AINSI ETE CARACTERISES : ENFONCEMENT DE LA SURFACE DU PLASMA PAR LA PRESSION DE RAYONNEMENT DU LASER, ACCELERATION PAR CHOC ELECTROSTATIQUE OU PAR DEFERLEMENT D'UNE ONDE ACOUSTIQUE IONIQUE, ACCELERATION PAR LE CHAMP DE RAPPEL CREE PAR L'EXPULSION RADIALE DES ELECTRONS HORS DU CANAL LASER CREUSE DANS UN PLASMA FAIBLEMENT SURCRITIQUE. LES ELECTRONS ET LES IONS ACCELERES A LA SURFACE DU PLASMA PENETRENT A L'INTERIEUR DE LA CIBLE ET INTERAGISSENT AVEC CELLE-CI. LA COMPETITION ENTRE LA FOCALISATION DUE AU CHAMP MAGNETIQUE AUTO-GENERE PAR LE FORT COURANT ELECTRONIQUE ET L'EFFET DISPERSIF DES COLLISIONS A ETE ANALYSEE. DANS UN PLASMA HOMOGENE CHAUD, UN COURANT OPTIMAL POUR LEQUEL LA LONGUEUR DE PROPAGATION SANS DIFFUSION EST MAXIMALE EST AINSI OBTENU. NOUS AVONS AUSSI MONTRE QUE L'EFFET DE RAPPEL DU AU CHAMP ELECTRIQUE AUTO-GENERE EST PLUS IMPORTANT QUE LA FRICTION DUE AUX COLLISIONS. DANS UNE CIBLE DEUTEREE, LES IONS ACCELERES INTERAGISSENT AVEC LES IONS DE LA CIBLE ET PRODUISENT DES NEUTRONS. UNE FORTE CORRELATION ENTRE LE MODE D'ACCELERATION IONIQUE ET LA DISTRIBUTION ANGULAIRE ET ENERGETIQUE DES NEUTRONS PRODUITS A ETE AINSI MISE EN EVIDENCE.
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Cette thèse a pour objet l'étude de l'interaction laser-matière dans un régime d'éclairement extrême que visent à atteindre plusieurs installations multi-pétawatt en cours de développement (CILEX-Apollon, ELI, IZEST, etc.). Pour un éclairement supérieur à 1022 Wcm-2, la dynamique relativiste des électrons accélérés dans l'onde laser est modiée par un important rayonnement Compton inverse non-linéaire. Au-delà de 1023 Wcm2, les photons ainsi produits peuvent, en interagissant à leur tour avec le champ laser, se désintégrer en paires électron-positron via le mécanisme de Breit-Wheeler non-linéaire. Ces mécanismes d'électrodynamique quantique, dont l'étude expérimentale était jusqu'ici l'apanage des grands accélérateurs de particles, peuvent grandement affecter les mécanismes usuels d'interaction laser-plasma, notamment ceux régissant l'accélération de particules chargées et, par conséquent, le bilan global de l'interaction. Afin de modéliser ce régime inédit d'interaction, qui combine processus collectifs, relativistes et d'électrodynamique quantique, nous avons enrichi des mécanismes précédents le code de simulation particle-in-cell calder développé de longue date au CEA/DIF. L'influence de ces mécanismes est d'abord explorée dans le cas d'une impulsion laser interagissant avec une cible dense de taille micrométrique. Un rendement de conversion de l'énergie laser en photons supérieur à 10% est observée au-dessus de 1023 Wcm-2, tandis que la production d'anti-matière s'emballe, via un mécanisme de cascade, à partir de 1024 Wcm2. Dans un second temps, nous étudions la génération de positrons lors de la collision frontale entre un faisceau d'électrons ultra-relativistes issu d'un accélérateur plasma et une impulsion laser ultra-intense. Dans une dernière partie, nous considérons un scénario prospectif d'intérêt astrophysique, à savoir la collision de plasmas de paires issus de cibles solides irradiées à 1024 Wcm-2 montrant la croissance rapide d'une instabilité de lamentation magnétique combinée à d'intenses effets radiatifs.
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CETTE THESE CONSTITUE UNE ETUDE THEORIQUE ET NUMERIQUE DU COMPORTEMENT EN REGIME RELATIVISTE DE DEUX PHENOMENES NON-LINEAIRES DE LA PHYSIQUE DE L'INTERACTION LASER-PLASMA : LES INSTABILITES PARAMETRIQUES ELECTRONIQUES ET LA FORCE PONDEROMOTRICE. DANS LA PREMIERE PARTIE DE CE MEMOIRE, LA RELATION DE DISPERSION A TROIS DIMENSIONS DES INSTABILITES PARAMETRIQUES ELECTRONIQUES EST ETABLIE POUR UNE ONDE POLARISEE CIRCULAIREMENT SE PROPAGEANT DANS UN PLASMA HOMOGENE ET FROID, SANS LIMITATIONS SUR L'INTENSITE DE L'ONDE NI SUR LA DENSITE DU PLASMA. ELLE EST OBTENUE SOUS FORME D'UN DETERMINANT INFINI ET RESOLUE NUMERIQUEMENT APRES TRONCATURE. LE COMPORTEMENT DES DIFFERENTES INSTABILITES PARAMETRIQUES ELECTRONIQUES EST PRECISE A HAUTE DENSITE ET HAUTE INTENSITE. LES RESULTATS OBTENUS SONT VERIFIES A L'AIDE DE SIMULATIONS NUMERIQUES A DEUX DIMENSIONS, QUI MONTRENT EGALEMENT QUE DANS LEUR PHASE NON-LINEAIRE, CES INSTABILITES PROVOQUENT A HAUTE DENSITE UN VIOLENT CHAUFFAGE DU PLASMA AINSI QUE LA FILAMENTATION ET UNE FORTE ABSORPTION DE L'ONDE. L'INSTABILITE DE WEIBEL EST EGALEMENT BRIEVEMENT ETUDIEE EN REGIME RELATIVISTE. DANS LA DEUXIEME PARTIE DE CE TRAVAIL, NOUS ETABLISSONS UNE EXPRESSION DE LA FORCE PONDEROMOTRICE EXERCEE PAR UNE IMPULSION LASER ULTRA-INTENSE DANS LE VIDE AU VOISINAGE DU FOYER. LA CONDITION DE VALIDITE DE CE CALCUL EST PRECISEE. DANS LE CAS D'UNE IMPULSION DE PROFIL TRANSVERSE GAUSSIEN, PLUSIEURS EXPRESSIONS DU CHAMP ELECTROMAGNETIQUE AU FOYER SONT ETABLIES, QUI CORRESPONDENT A DIFFERENTS DEGRES D'APPROXIMATION. UN CODE NUMERIQUE D'INTEGRATION DES EQUATIONS DU MOUVEMENT D'UN ELECTRON DANS LE CHAMP LASER EST UTILISE AVEC CES DIFFERENTES EXPRESSIONS. IL CONFIRME LA CONDITION DE VALIDITE ET L'EXPRESSION DE LA FORCE PONDEROMOTRICE RELATIVISTE OBTENUES. IL MONTRE L'IMPORTANCE D'UNE DESCRIPTION PRECISE DU CHAMP AU FOYER. CES RESULTATS SONT UTILISES POUR INTERPRETER UNE EXPERIENCE RECENTE ET POUR CRITIQUER D'AUTRES TRAVAUX THEORIQUES DANS CE DOMAINE.
Author: Julien Moreau
Author: Julien Moreau
Author: ANDREI.. SOLODOV
Author: FRANCOIS.. JAKOBER
Author: Julien Fuchs
Author: Jérôme Faure
Author: PIERO.. CHESSA
Author: Arnaud André
Author: CATHERINE.. TOUPIN
Author: Mathieu Lobet
Author: BRICE.. QUESNEL