Laser Ultra Intense sur Plasmas Denses: Dynamiques Périodiques vers Chaotiques

"Vers le controle des sources de particules et de lumiere produites sur mirroirs plasma a l'aide de faisceaux laser structures" L'avancee en matiere des lasers femtosecondes de hautes puissances PW rend possible une prometteuse mais neanmoins encore largement sous-etudiee branche de la physique, la physique des ultra-hautes intensites (UHI). Quand un laser de haute puissance est focalise sur une cible solide, son intensite peut atteindre des valeurs aussi importantes que 10^23 W.cm^-2. Cette intensite est suffisante pour ioniser totalement la matiere, creant un "miroir plasma" qui va reflechir la majeure partie de la lumiere incidente. Le champ electrique correspondant, au point de focalisation, est si grand que les particules du miroir plasma (electrons et ions) sont acceleres jusqu'a atteindre des vitesses relativistes. Ainsi, une importante gamme de sources de particules tres energetiques (electrons, protons ou ions multiplement charges) et de radiations allant des rayons X aux rayons γ peuvent etre produites lors de l'interaction entre le miroir plasma et le laser ultra-intense. Le but ultime de la communaute d'interaction laser-miroir plasma est le controle fin a la fois des particules et a la fois des sources de lumiere, sources qui pourront etre utilisees pour des applications experimentales particulierement innovante. Dans cette these, a la fois numerique et theorique, le candidat devra explorer les benefices potentiels de structurer un faisceau laser pour obtenir un tel controle. En particulier, il devra s'attarder sur l'emission synchronisee de paquets d'electrons attosecondes et d'impulsion laser issus de l'interaction avec le miroir plasma. Cette source est consideree comme une source ideale pour la science des phenomenes ultra-rapides. Pour des intensites relativistes (I> 10^18 W.cm^-2 ) comme celles deja atteintes avec les lasers UHI100 (laser 100 TW au CEA Saclay) et BELLA-I (laser PW au LBNL), le champ electrique ultra intense a la focalisation induit des oscillations periodiques et relativistes de la surface du miroir plasma, qui va periodiquement distordre le champ reflechi sous l'effet Doppler. Cette distorsion va introduire des harmoniques d'ordres eleves de la frequence laser dans le champ reflechi, associees a un train d'impulsion attosecondes dans le domaine temporel. Ce mecanisme de generation est considere comme l'un des meilleurs candidats pour la generation a venir de sources de lumiere attoseconde. Correles avec la lumiere emise et ejectes dans une direction proche de la reflexion speculaire, des electrons relativistes sont aussi emis dans le vide (a des energies d'environ 10MeV et de charge d'environ 10nC pour une intensite laser de 3.10^19 W.cm^-2). De recentes experience avec le laser UHI100 ont revele une caracteristique essentielle de cette emission d'electrons. Le miroir plasma agit comme un injecteur de paquets d'electrons attosecondes dans le champ laser reflechi. Ces electrons sont acceleres sur des longues distances, de plusieurs fois la longueur de Rayleigh par un mecanisme dit de "Vacuum Laser Acceleration" (VLA). Ces premieres experiences ouvrent la voie a de prochaines etudes sur la dynamique des electrons libres et relativistes dans des champs laser ultra-intenses. Pour concevoir des moyens de controle de ces sources issues de miroirs plasmas, le candidat devra realiser des simulations 3D pour etduier l'effet de mise en forme spatiale du faisceau laser sur les faisceaux electroniques et harmoniques. Cette etude sera realisee grâce au laser UHI100 dans un regime 100TW et grâce au laser BELLA-I dans un regime PW. En premier lieu, il devra etudier les effets d'un laser polarise radialement sur les caracteristiques des faisceaux harmoniques et electroniques. En ce qui concerne les electrons, ces types de faisceaux laser ont potentiellement un impact interessant sur la qualite du faisceau electronique (emittance, energie, charge) et pourra augmenter le nombre de faisceaux electroniques collimates. Ensuite, le candidat devra etudier la faisabilite de l'effet "phare attoseconde" dans un regime relativiste, grâce auquel on s'attend a isoler des impulsions X-UV dans le but d'obtenir pour la premiere fois une experience pompe-sonde attoseconde pour etudier la dynamique des electrons dans la matiere. Cet effet utilise des faisceaux laser mis en forme spatio-temporellement (avec une rotation de front d'onde) pour produire des impulsions isolees attosecondes sous forme de trains d'impulsion, plus a meme a convenir a des experiences resolues en temps. Pour modeliser numeriquement ces deux types de nouvelles interactions et pour se preparer a des experiences futures sur les deux lasers que sont UHI100 et BELLA-I, le candidat devra utiliser le code PIC 3D Warp+PXR, presentant un solveur spectral extremement novateur, d'une precision jamais atteinte tout en autorisant une parallelisation massive. Ce nouveau code sera a meme de modeliser l'emission synchronisee des harmoniques et des electrons, alors que les codes standards echouent a donner une description precise des phenomenes, meme a tres hautes resolutions. Des tests sont neanmoins encore a faire pour quantifier totalement les benefices de ce nouveau solveur vis-a-vis des solveurs standards, en terme de precision. Dans la premiere partie de la these (au LBNL, 1 an et 3 mois), le candidat devra realiser de nombreux tests de convergence et analyser les benefices du nouveau solveur pseudo-spectral de Warp+PXR sur les emissions d'electron et d'harmoniques. Il pourra ainsi identifier les parametres numeriques optimaux pour l'etude precise de la physique. Il devra aussi developper des outils de traitement de donnees de hautes performances pour visualiser et analyser la large quantite de donnees (champ harmonique et trajectoires des electrons en 3D). Cela sera essentiel dans l'interpretation des resultats de simulations 3D. Dans la seconde partie de la these (au CEA de Saclay, 1 an et 3 mois), l'etudiant utilisera le code Warp+PXR pour modeliser les deux interactions presentees ci-dessus dans un cadre de support aux experiences futures du CEA Saclay. Il sera en etroite interaction avec les experimentateurs pour aider a identifier les regimes optimaux et interpreter les resultats d'experiences. Recemment, Fabien Quere et al a developpe une technique de mesure de l'amplitude spatio-temporelle et de la phase de leur laser UHI100. Ces profils pourront etre places en parametres d'entree du code pour etudier les effets du defaut de leur laser sur les sources harmoniques et electroniques. Finalement, six mois seront consacres a la redaction du manuscrit de these, qui pourront etre passes soit au CEA soit au LBNL selon le choix du candidat.