Laboratoire Francis PERRIN
URA CNRS-CEA 2453
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Accélération d'ions par interaction laser matière en régime de ultra-haut contraste laser Thèses ou HDR SPAM
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26/09/2008 à 14h30
INSTN, Amphi J. Horowitz CEA-Saclay
Anna LEVY
Manuscrit de la thèse


Résumé : Grâce au développement récent des lasers de puissance, le domaine de l’interaction laser-matière a beaucoup évolué en ouvrant, entre autres, la possibilité d'accélérer des particules chargés jusqu’à des énergies de plusieurs MeV. En particulier, en soumettant une cible à de très fortes intensités laser (>1018W/cm2), il est possible de générer des faisceaux d’ions aux caractéristiques particulièrement intéressantes pour différentes applications comme la proton-thérapie, la fusion inertielle et les diagnostics de plasmas denses.
Cependant, pour nombre de ces applications, les énergies atteintes restent aujourd’hui insuffisantes. Cette question suscite un important effort de recherche visant à optimiser, et donc à mieux comprendre, les processus physiques à la base de l’accélération des particules.
En modifiant convenablement le profil temporal du laser grâce à un « double miroir plasma », nous nous sommes placés dans un régime d’interaction très particulier et encore largement inconnu en physique des plasmas : le régime à Ultra-Haut-Contraste (UHC). Dans ce nouveau régime d’interaction on s’affranchit de l’usuel pré-plasma qui se détend devant la surface où interagit le laser. Il devient alors possible d'augmenter l'énergie maximale des ions accélérés en utilisant des cibles « ultra-minces ».
Cette prouesse technique a permis non seulement d’observer sans ambiguïté l'amélioration attendue en énergie de particules mais aussi, et surtout, de mettre en évidence expérimentalement et par le calcul, certaines caractéristiques et mécanismes fondamentaux propre à ce régime: la génération quasi-symétrique de faisceaux d'ions sur les deux cotés de la cible, le rôle fondamentale de l’absorption « Brunel », l'influence d'un profil de densité et la présence, dans ce cas, d'un déferlement ionique.


Laser-induced ion acceleration in ultrahigh contrast regime


Abstract:
Recent advances in high-intensity laser technology have opened up new perspectives in the relativistic laser-plasma interaction domain as the acceleration of ion beams to energies of several MeV. During the interaction, a part of the target electrons can reach relativistic velocities and are responsible of the generation of a dense beam of high energy ions with remarkable qualities for many applications (protontherapy, inertial fusion, probing of electric fields in dense plasmas...). Presently, one of the most important trends in research is devoted to increase the maximum attainable energy as this could further enhance the range of application. Our work demonstrate the possibility to increase the ion energy using ultra-thin foils. However, the use of this kind of target requires a laser pulse with a high temporal contrast ratio. Thanks to the implementation of a double plasma mirror, we were able to increase our laser contrast allowing the main femtosecond laser peak interact with a pre-plasma free, solid target. We present herein a complete characterization of proton beam emissions and underline the influence of the target thickness on their maximal energy. We studied each stage of the acceleration process and identified the main mechanism responsible of the electronic heating. Finally, we present a study of the rear side plasma gradient influence on the ion acceleration. Both experimental and numerical results show that owing to the presence of a density gradient the acceleration process is perturbed by ions wave breaking.