High Intensity Laser-Plasma Grating Interaction: surface wave excitation and particle acceleration
Interaction laser-réseau plasma à haute intensité: excitation d'une onde de surface et accélération de particules
Résumé
Surface waves in solids were first observed by Wood in 1902 as an anomaly in the diffraction of a continuous light source from a metal grating: the diffracted spectrum presented dark lines corresponding to certain wavelengths, which were later explained (Fano, 1941) in terms of the excitation of a surface wave sustained by the grating. Similarly to the metal grating case, a surface plasma wave (SPW) can be resonantly excited by a laser pulse at the surface of a laser-produced over-dense plasma, if the correct matching conditions are provided. SPWs propagate along the plasma-vacuum interface and are characterized by a localized, high frequency, resonant electric field. In the present work we describe numerically the dynamics of the plasma and the field distribution associated to SPW excitation, using two-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations, where the plasma surface is initially pre-formed so that the SPW excitation conditions are fulfilled. We examine the surface wave excitation for a large range of laser intensities (Iλ2 =10^15-10^20 μm^2/Wcm^2) in order to study the transition from the non-relativistic to the relativistic regime. The simulations in which the wave is resonantly excited are compared to cases in which the resonant conditions are not provided and the coupling of the laser with the target is analyzed. We have considered the following aspects of the laser-plasma interaction, for different laser and target parameters: i) the laser absorption and the electric field at the surface ii) the generation of a quasi-static magnetic field iii) the electron heating and iiii) the ion acceleration. The possibility to excite a surface plasma wave on a structured target for a large range of laser energies has been demonstrated. In the cases where the surface wave is excited the electric field component normal to the target is amplified at the surface by a factor ranging from 3.2 to 7.2 with respect to the laser field. The absorption is also increased,for example it raises from 27% when the SPW is not excited up to 73% for Iλ^2=10^9 μm^2/Wcm^2. We have defined the optimal conditions for efficient coupling which increase laser absorption, that correspond to the relativistic laser intensities (Iλ^2>10^19 μm^2/Wcm^2). In this regime the main absorption mechanism is vacuum heating, associated to particles oscillating in the field perpendicular to the target, which is enhanced by the stronger, localized field of the SPW. The generation of a quasi-static magnetic field has been studied analytically and compared to the result of PIC simulations. The different field structure in presence of a SPW and for a flat target suggests that the enhanced field strength has caused partial confinement of particles at the target surface when SPW is present. The effects of the surface wave are more pronounced in thin laminar targets where electrons recirculate into the target interacting several times with the wave. Efficient electron heating increases the energy of the ions which are accelerated at both the irradiated and not irradiated target surface by the hot electrons space charge field. For the thinnest target (3.5 μm) the ion cut-off energy is about 14 Mev, approximately twice the value obtained when the SPW is not excited.
Les ondes de surface ont été observées pour la première fois par Wood en 1902 qui note des anomalies dans le spectre de diffraction d'une lumière continue sur un réseau métallique. Pour certaines longueurs d'onde, le spectre diffracté présente des lignes noires que Fano interprète quelques années plus tard (1941) comme dues à l'excitation d'ondes de surface. De façon analogue, on peut exciter par laser de façon résonante une onde plasma de surface à la surface d'un plasma sur-dense créé par interaction laser-solide, si les conditions d'excitation de l'onde sont satisfaites. L'onde de surface se propage le long de l'interface plasma-vide et se caractérise par un champ électrique résonant haute-fréquence localisé. Dans ce travail, la dynamique du plasma et les champs associés à l'excitation par laser de l'onde de surface sont décrits numériquement avec des simulations bidimensionnelles Particule-In-Cell dans lesquelles la surface du plasma est initialement pré-structurée de sorte à satisfaire les conditions d'excitation de l'onde de surface. L'intensité laser a été variée entre Iλ2 =10^15 et 10^20 μm^2/Wcm^2 afin d'étudier la transition entre un régime d'excitation non-relativiste et relativiste. Les simulations dans lesquelles l'onde de surface est excitée sont comparées à celles où elle ne l'est pas et le couplage du laser avec la cible est analysé. Pour différents paramètres du laser et de la cible, nous avons considéré les quatre aspects suivants de l'interaction laser plasma : i) l'absorption laser et le champ électrique à la surface du plasma, ii) le champ magnétique quasi-statique généré, iii) le chauffage électronique et iiii) l'accélération des ions. Nous avons démontré la possibilité d'exciter une onde plasma de surface pour une large gamme d'intensité laser. Lorsque l'onde de surface est excitée, la composante perpendiculaire à la surface du plasma du champ électrique est amplifiée par rapport au champ laser sur la surface plasma-vide d'un facteur allant de 3.2 à 7.2 selon les cas. L'absorption augmente également fortement de 27% lorsque l'onde de surface n'est pas excitée à 73% lorsqu'elle l'est pour Iλ2=10^19 μm^2/Wcm^2 par exemple. Cette étude nous a permis de définir les conditions optimales pour lesquelles le couplage entre le laser et l'onde de surface est le plus efficace. Elles correspondent au régime d'intensité laser relativiste dans lequel le mécanisme d'absorption principale est le " vacuum heating " : les particules gagnent de l'énergie en oscillant dans le champ électrique perpendiculaire à la cible. En présence de l'onde de surface, cette oscillation est fortement augmentée par la présence du champ localisé de l'onde de surface plus intense que le celui du laser. La possibilité de créer des champs magnétiques quasi-statiques auto-générés en présence d'une onde de surface a de plus été étudiée analytiquement et les résultats ont été comparés à ceux des simulations. Les structures de champ obtenues suggèrent que l'intensité du champ magnétique généré induit un confinement partiel des particules sur la surface de la cible lorsque l'onde de surface est excitée. Enfin, nous avons observé un effet induit par l'excitation de l'onde de surface encore plus fort dans des cibles minces dans lesquelles les électrons peuvent circuler d'un bord à l'autre de la cible et interagir plusieurs fois avec le champ de l'onde. Le champ de charge d'espace ainsi créé au cours de l'interaction induit une augmentation importante de l'énergie des ions émis sur les deux faces de la cible mince. L'ensemble de ce travail nous a permis de montrer que l'excitation d'une onde de surface par interaction laser-plasma structuré est un mécanisme physique prometteur pour augmenter l'énergie des particules émises. C'est un point particulièrement intéressant pour les applications liées à la production de protons énergétiques telles que la thérapie hadronique ou à celle d'électrons de hautes énergies indispensables dans le processus de fusion inertiel dans lequel le schéma de l'allumeur rapide est utilisée.
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