Modeling the interaction between a few-cycle relativistic laser pulse and a plasma mirror : from electron acceleration to harmonic generation

Résumé : Lorsqu'une impulsion laser est focalisée à une intensité relativiste sur une cible solide, le matériau est instantanément ionisé et forme un miroir plasma, c'est-à-dire un plasma surdense présentant un court gradient de densité sur sa face avant. La réflexion de l'impulsion laser génère alors des harmoniques élevées dans l'impulsion réfléchie, et des électrons peuvent être accélérés hors de la cible. Si la génération d'harmoniques est bien comprise, l'accélération des électrons reste, à ce jour, mal expliquée. Basée sur des résultats expérimentaux obtenus sur deux lasers femtosecondes ultraintenses (le laser "Salle Noire" au LOA et le laser UHI100 au CEA), cette thèse théorique et numérique porte sur le mécanisme d'accélération des électrons en suivant trois axes de recherche. Premièrement, à l'aide de simulations numériques de type particle-in-cell, nous identifions le mécanisme d'éjection des électrons de la surface qui a lieu à l'échelle du cycle optique. En particulier, le rôle déterminant des champs à l'intérieur du plasma a été mis en évidence, et ce travail montre que la longueur caractéristique du gradient de densité est un paramètre fondamental de cette interaction. Deuxièmement, après l'éjection du plasma, les électrons peuvent être accélérés par les champs laser de l'impulsion réfléchie. Ce processus, appelé "accélération laser dans le vide", avait été peu étudié expérimentalement en raison de la difficulté d'injecter des électrons directement au centre d'une impulsion laser intense. Le miroir plasma constitue une solution à ce problème, servant d'injecteur à électrons. Grâce à un modèle présenté dans cette thèse, nous avons pu interpréter les résultats expérimentaux obtenus sur le laser UHI100 du CEA. En particulier, nous démontrons que ces expériences ont conduit pour la première fois à l'accélération dans le vide d'un faisceau d'électrons de charge élevée (3 nC) jusqu'à des énergies relativistes (10 MeV). Enfin, la génération d'harmoniques lors de cette interaction peut se produire suivant deux mécanismes : l'accélération cohérente de sillage à faible intensité et le miroir oscillant relativiste à haute intensité. La comparaison entre l'éjection d'électrons et chacun de ces mécanismes apporte de nouvelles informations sur la dynamique à l'échelle nanométrique de la surface plasma.
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Thèse
Plasma Physics [physics.plasm-ph]. Université Paris-Saclay, 2016. English. 〈NNT : 2016SACLX112〉
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Soumis le : mercredi 8 mars 2017 - 21:55:07
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Maxence Thévenet. Modeling the interaction between a few-cycle relativistic laser pulse and a plasma mirror : from electron acceleration to harmonic generation. Plasma Physics [physics.plasm-ph]. Université Paris-Saclay, 2016. English. 〈NNT : 2016SACLX112〉. 〈tel-01485500〉

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