Laboratoire Francis PERRIN
URA CNRS-CEA 2453
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Génération d’impulsions attosecondes sur miroir plasma relativiste Thèses ou HDR SPAM
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20/12/2012 à 14h30
Neurospin Bât 145 CEA-Saclay
Henri Vincenti

2651.pdf (2 Ko)

Manuscrit de la thèse



Pour cette thèse, Henri Vincenti a reçu un des Prix de thèse 2015 du "Triangle de la Physique".





Résumé :



Lorsqu'on focalise une impulsion laser femtoseconde ultraintense sur une cible solide, un plasma dense est formé en surface et réfléchit le faisceau laser de façon spéculaire: c'est un "miroir plasma". Lorsque l'intensité au foyer est suffisamment élevée, la réponse non-linéaire du miroir plasma au champ laser conduit à la génération d’un spectre d’harmoniques d'ordres élevés dans le faisceau réfléchi, associé dans le domaine temporel à un train d'impulsions attosecondes. Les objectifs de ma thèse étaient d'arriver à une meilleure compréhension des propriétés de ces faisceaux harmoniques, et de mettre au point de nouvelles méthodes pour contrôler ces propriétés.



La première partie porte sur les propriétés spatiales de ces faisceaux, qui, dans le régime d’interaction relativiste, sont imposées par la courbure du miroir plasma, sous l'effet de la pression de radiation inhomogène exercée par le laser sur la cible. Nous avons développé un modèle analytique complet permettant de calculer cette courbure, ainsi que l’effet résultant sur la divergence du faisceau harmonique. Nous avons également proposé une méthode simple afin de contrôler cette divergence par la phase du laser.



La seconde partie est consacrée à une étude analytique et numérique d’un nouvel effet physique permettant de générer des impulsions attosecondes isolées au lieu de trains. Il s’agit de l’effet de phare attoseconde, qui consiste à envoyer les impulsions attosecondes du train dans des directions différentes et contrôlées, au moyen d’une rotation temporelle ultrarapide des fronts d’onde laser au foyer, obtenue par une mise en forme très simple du faisceau laser.



Les confirmations expérimentales de ces études théoriques, obtenues dans différents laboratoires, seront brièvement présentées en conclusion.



Mots clés : impulsions attosecondes, harmoniques d'ordres élevés, miroir plasma, miroir oscillant relativiste, harmoniques Doppler, interaction laser-plasma, propriétés spatiales des harmoniques Doppler, effet phare attoseconde, impulsions attosecondes isolées.





 



Attosecond light pulse generation on relativistic plasma mirrors



Abstract :



When an ultra intense femtosecond laser ($I>10^{16}W.cm^{-2}$) with high contrast is focused on a solid target, the laser field at focus is high enough to completely ionize the target surface during the rising edge of the laser pulse and form a plasma. This plasma is so dense (the electron density is of the order of hundred times the critical density) that it completely reflects the incident laser beam in the specular direction: this is the so-called " plasma mirror ". When laser intensity becomes very high, the non-linear response of the plasma mirror to the laser field periodically deforms the incident electric field leading to high harmonic generation in the reflected beam. In the temporal domain this harmonic spectrum is associated to a train of attosecond pulses. The goals of my PhD were to get a better comprehension of the properties of harmonic beams produced on plasma mirrors and design new methods to control theses properties, notably in order to produce isolated attosecond pulses instead of trains. Initially, we imagined and modeled the first realistic technique to generate isolated attosecond on plasma mirrors. This brand new approach is based on a totally new physical effect: "the attosecond lighthouse effect". Its principle consists in sending the attosecond pulses of the train in different directions and selects one of these pulses by putting a slit in the far field. Despites its simplicity, this technique is very general and applies to any high harmonic generation mechanisms. Moreover, the attosecond lighthouse effect has many other applications (e.g in metrology). In particular, it paves the way to attosecond pump-probe experiments. Then, we studied the spatial properties of these harmonics, whose control and characterization are crucial if one wants to use this source in future application experiments. For instance, we need to control very precisely the harmonic beam divergence in order to achieve the attosecond lighthouse effect and get isolated attosecond pulses. At very high intensities, the plasma mirror dents and gets curved by the inhomogeneous radiation pressure of the laser field at focus. The plasma mirror surface thus acts as a curved surface, which focuses the harmonic beam in front of the target and fixes its spatial properties. We developed a fully analytical and predictive model for the surface deformation, thanks to which we are now able to calculate very easily the spatial properties of the generated harmonic beams. we validated this model through hundreds of 1D and 2D PIC simulations.



Keywords: attosecond pulses, high order harmonics, plasma mirror, relativistic oscillating mirror, Doppler harmonics, laser-plasma interaction, spatial properties of Doppler harmonics, attosecond lighthouse effect, isolated attosecond pulses.