Dynamique chaotique de l'interaction entre une impulsion laser ultra-intense et un plasma dense
Publié par Redbran le 07/10/2019 à 14:00
Source: CEA IRAMIS
Une collaboration entre les équipes du LIDYL au CEA Saclay et de l'ATP du Lawrence Berkeley National Lab (LBNL) vient d'élucider les mécanismes d'absorption d'un faisceau laser ultra-intense, lors de sa réflexion sur un plasma dense formé à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) d'une cible solide. Ces mécanismes, jusqu'alors non identifiés pour des intensités lasers > 10^18 W.cm^-2, interviennent dans de nombreux processus laser-plasma, tels que la production de faisceaux d'électrons et d'ions relativistes ou de faisceaux de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) de courte longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) (émission d'harmoniques Doppler d'ordre élevé), aux multiples applications (spectroscopies, irradiations, médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal (physiologie),...)...). La compréhension fine de ces mécanismes, rendue possible grâce la combinaison (Une combinaison peut être :) de résultats expérimentaux et numériques de premier plan, permettra d'optimiser ces nouvelles sources de particules et de lumière.


Trajectoire dans l'espace des phases (L'espace des phases est un espace abstrait dont les coordonnées sont les variables dynamiques du système étudié.) (x, px) des électrons du plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma...) accélérés par le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de l'impulsion laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser...). x désigne la coordonnée normale à la surface du plasma, px son impulsion. L'échelle de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).), fonction de la position initiale des électrons dans le plasma, permet d'identifier les trajectoires. La structure en feuillets est caractéristique d'une dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) chaotique.
Crédit: G. Blaclard © CEA.

Les méthodes de compression temporelle des impulsions lasers de forte puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) permettent d'obtenir des impulsions de durée femtosecondes (10^-15 s) et d'atteindre ainsi des intensités extrêmes (I > 10^18 W.cm^-2), avec lesquelles on peut explorer l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) lumière-matière, dans des conditions jusqu'alors inconnues. Lorsque de telles impulsions laser sont focalisées sur une cible solide, celle-ci est quasi-instantanément ionisée en surface et forme un plasma dense en électrons, réfléchissant pour le champ laser incident.

Dans la présente étude, une collaboration entre des chercheurs du CEA Saclay et du LBNL révèlent que le paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) crucial pour décrire le mécanisme de couplage entre une impulsion laser et un plasma en régime relativiste est la longueur de gradient L, caractéristique de l'expansion spatiale du plasma. La valeur de L peut être ajustée en prélevant une partie de l'impulsion principale pour obtenir une préimpulsion d'intensité bien définie, qui suivant un chemin optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) plus court, peut atteindre la cible avant l'impulsion principale et avec une avance réglable. Cette première impulsion crée un plasma initial, dont la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de...) et l'expansion sont ainsi contrôlés de façon très fine. Une meilleure maitrise de la qualité des deux impulsions lasers de haut contraste successives a permis aux chercheurs de mettre en lumière deux régimes bien distincts de couplage du plasma avec l'impulsion laser principale, l'un se produisant pour des longueurs de gradient L bien plus courtes que la longueur d'onde laser (L << λ), l'autre pour des longueurs proches de la longueur d'onde laser (L ≈ λ). La combinaison de ces résultats expérimentaux avec des simulations Particle-In-Cell 2D et 3D à l'aide du code WARP/PICSAR ont par la suite permis d'élucider les deux mécanismes plasmas d'absorption.

Pour les courtes longueurs de gradients L, le champ laser se réfléchit sur un plasma encore confiné et très dense, qui joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et...) le rôle de "miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche métallique fine, qui, pour être protégée, est...) plasma" (**). Dans ce régime, les électrons sont périodiquement expulsés par le champ laser puis ré-accélérés vers l'intérieur du plasma, en absorbant une fraction significative de l'intensité laser. Ce mécanisme est appelé"'mécanisme de Brunel".

Pour des valeurs de L plus élevées, de l'ordre de la longueur d'onde laser, une bonne partie des électrons à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) vide-plasma, se trouvent dans une zone de densité sous-critique, dans laquelle le champ incident peut se propager sans réflexion. Ils se retrouvent alors soumis au champ d'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène apparaît souvent en optique avec les ondes lumineuses,...) entre le champ laser incident et le champ laser réfléchi sur la partie plus interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le "Diplôme...) et plus dense du plasma. Dans ce régime, la dynamique des électrons devient chaotique et ces derniers sont chauffés par chauffage (Le chauffage est l'action de transmettre de l'énergie thermique à un objet, un matériau.) stochastique. Ce processus est illustré Fig. 1 où sont représentés les trajectoires des électrons du plasma dans l'espace des phases (x, px) lors de l'interaction: x représente la coordonnée normale à la surface du plasma et l'échelle de couleur correspond à la position initiale des électrons dans la cible, ce qui permet d'identifier leurs trajectoires. Cet espace des phases montre une dynamique d'étirement et repliement, aussi appelé 'pétrissage optique', responsable de l'apparition de structures en feuillets qui sont une signature claire de l'émergence du chaos lors de l'interaction. Du fait de cette dynamique, deux électrons initialement proches dans l'espace des phases exhibent des trajectoires singulièrement différentes en quelques cycles optiques.

Ces résultats montrent le rôle majeur de la longueur de gradient L dans le mécanisme de couplage. La compréhension fine de ces mécanismes, rendue possible grâce la combinaison de résultats expérimentaux et numériques, permettra d'optimiser les sources de particules et de lumière issues de l'interaction laser-plasma, aux multiples applications.

Référence:

L. Chopineau, A. Leblanc, G. Blaclard, A. Denoeud, M. Thévenet, J-L. Vay, G. Bonnaud, Ph. Martin, H. Vincenti, and F. Quéré,
Phys. Rev. X 9 (2019) 011050.

Contact CEA-IRAMIS: Henri Vincenti et Fabien Quéré (LIDYL/PHI).

Collaboration:

L. Chopineau, A. Leblanc, G. Blaclard, A. Denoeud, M. Thévenet, G. Bonnaud, Ph. Martin, H. Vincenti, and F. Quéré,
LIDYL, UMR 9222 CEA-CNRS, Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) Paris-Saclay, CEA Saclay, 91 191 Gif-sur-Yvette, France,
J-L Vay, Head of the Accelerator Modelling group, ATAP division (La division est une loi de composition qui à deux nombres associe le produit du premier par l'inverse du second. Si un nombre est non nul, la fonction "division par ce nombre" est la réciproque de la fonction...), Lawrence Berkeley National Laboratory (Le Laboratoire national Lawrence Berkeley (Ernest Orlando Lawrence National Laboratory, anciennement Berkeley Radiation Laboratory et plus connu sous le nom de Berkeley Lab ou LBNL), est un laboratoire...), CA, USA.

Le code PICSAR a été développé en collaboration entre le CEA-IRAMIS et le LBNL.
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