Ion acceleration from laser-plasma interaction in underdense to near-critical regime: wakefield effects and associated plasma structures - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2011

Ion acceleration from laser-plasma interaction in underdense to near-critical regime: wakefield effects and associated plasma structures

Accélération d'ions par interaction laser-plasma du régime sous-dense au régime proche sur-dense: effets de sillage et structures plasma associées

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François Sylla
  • Function : Author
  • PersonId : 926646

Abstract

This work endeavoured to demonstrate theoretically and experimentally the interest of a spectral analysis of the radial ion emission, coupled to the quantitative observation of the excited plasma structures, to grasp more clearly the phenomena occurring when a laser interacts with a plasma. The fine tuning of the laser and plasma parameters made it possible to parametrically study in details the interaction. When the plasma peak density is varied from under- to quasi-overdense, the ion distributions change from a peak-like to a maxwellian-like shape, and exhibit strong modulations close to the laser wakefield resonance. This resonance is obtained when the pulse duration is close to half the plasma period. In this case, the accelerating mechanism is different from Coulomb explosion due to laser wakefield effects and influence of the plasma sheath at the edge of the laser-bored channel. Besides, for a given peak density, when the gradient scale length is increased, ion acceleration is suppressed and fundamental electromagnetic structures (soliton/vortex) appear and they were optically identified for the first time. Finally, close to the critical density, the efficient laser self-focusing leads to a very localized energy deposit, that entails an ultrafast electron expansion (within one picosecond) and the growth of an intense magnetic dipole heating further the electrons. Thanks to an innovative experimental setup, optical studies of magnetic fields within these structures are from now on possible. For these studies, technical means and diagnostics have been developed and simultaneously tested with success. They consist, on the one hand, in submillimetric very dense gas jets for a localized, stable and reproducible investigation within a wide range of plasma densities and profiles, and, on the other hand, in interferometer and polarimeter with high spatial and temporal resolutions, to inspect the laser propagation, along with densities and fields evolution inside the plasma.
Ce travail s'est attaché à démontrer théoriquement et expérimentalement l'intérêt d'une analyse spectrale de l'émission ionique radiale, croisée à l'observation quantitative des structures plasma excitées, pour cerner plus clairement les phénomènes en jeu au cours de l'interaction d'un laser avec un plasma. Le réglage fin des paramètres laser et plasma ont permis une étude paramétrique détaillée de l'interaction sur une large gamme de densité plasma. Lorsque l'on fait varier la densité plasma pic de très sous-dense à quasi-surdense, les distributions ioniques passent de piquées à maxwelliennes, et présentent de fortes modulations quand la durée de l'impulsion laser est proche de la demi-période plasma, i.e. proche de la résonance du sillage laser. Dans ce cas, le mécanisme d'accélération est différent de celui de l'explosion Coulombienne par l'intervention des effets du champ de sillage laser et du champ de la gaine plasma au bord du canal creusé par le laser. Par ailleurs, pour une densité plasma pic donnée et plus élevée que celle de la résonance, lorsque la longueur du gradient plasma est augmentée, l'accélération ionique est supprimée au profit de structures électromagnétiques fondamentales (soliton/vortex) clairement identifiées optiquement pour la première fois. Grâce à un protocole expérimental innovant, l'étude optique des champs magnétiques au sein de ces structures est à présent rendue possible. Enfin, proche de la densité critique, l'autofocalisation efficace du laser conduit à un dépôt très localisé de l'énergie laser, donnant naissance à une expansion électronique ultra-rapide (moins d'une picoseconde) et à la naissance d'un dipôle magnétique intense qui participe au chauffage des électrons. Pour ces études, des techniques et diagnostics ont été développés et testés simultanément avec succès. Il s'agit, d'une part, de jets de gaz submillimétriques à haute densité permettant une exploration localisée, stable et reproductible sur une large gamme de densités et de profils plasma, et d'autre part, d'interféromètre et polarimètre à hautes résolutions spatiales et temporelles afin d'observer la propagation laser et l'évolution des densités et champs au sein du plasma.
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Dates and versions

pastel-00710430 , version 1 (20-06-2012)

Identifiers

  • HAL Id : pastel-00710430 , version 1

Cite

François Sylla. Ion acceleration from laser-plasma interaction in underdense to near-critical regime: wakefield effects and associated plasma structures. Other [cond-mat.other]. Ecole Polytechnique X, 2011. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00710430⟩
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