Amélioration du contraste temporel d’un laser de haute puissance pour optimiser la génération d’harmoniques d’ordre élevé sur miroir plasma relativiste H/F

Description du Poste

Sujet De Thèse

Aujourd’hui, l’un des objectifs majeurs du domaine de l’interaction laser-plasma est d’atteindre le régime des champs forts de l’électrodynamique quantique (QED) à l’aide de lasers de très haute puissance. Dans ce régime extrême, le vide quantique et la matière soumis à des champs électromagnétiques ultra-intenses présentent de nouveaux comportements non linéaires, ouvrant la voie à l’observation de processus fondamentaux encore très peu explorés expérimentalement.

Parmi les différentes approches envisagées pour atteindre ce régime, l’une des plus prometteuses repose sur la génération d’harmoniques d’ordre élevé à partir de miroirs plasma relativistes. Lorsqu’une impulsion laser ultra-intense interagit avec une cible solide, elle est ionisée et la surface du plasma peut osciller à des vitesses relativistes et agir comme un miroir non linéaire capable de convertir le rayonnement incident vers des fréquences beaucoup plus élevées. Cette conversion permet de générer un rayonnement cohérent dans le domaine XUV tout en offrant la possibilité de comprimer spatialement et temporellement l’énergie lumineuse. Les intensités ainsi atteignables peuvent dépasser de plusieurs ordres de grandeur l’intensité initiale du laser incident. À de telles intensités, la matière placée au foyer de ce rayonnement secondaire pourrait entrer dans le régime des champs forts de la QED, où de nouveaux processus deviennent accessibles, tels que l’émission de photons gamma de très haute énergie ou encore la création de paires électron-positon via le processus de Breit-Wheeler.

Cependant, nous avons récemment démontré [4] que la génération d’harmoniques d’ordre élevé sur miroir plasma relativiste est fortement limitée, aux intensités laser supérieures à 1e21 W/cm2 sur cible, par le contraste temporel sub-picoseconde de l’impulsion laser. En pratique, un piédestal temporel trop intense modifie prématurément l’état de la cible avant l’arrivée du pic principal, dégradant fortement les conditions optimales d’interaction.
Il devient donc indispensable d’augmenter ce contraste temporel sub-picoseconde afin qu’il ne constitue plus un verrou pour la génération d’harmoniques relativistes et, à terme, pour l’accès au régime des champs forts de la QED.
Dans ce contexte, cette thèse propose d’explorer une approche entièrement nouvelle fondée sur l’utilisation d’un gaz placé en amont d’une cible solide. L’idée est de modifier temporellement la manière dont l’impulsion laser se focalise sur la cible. On augmente volontairement la distance de focalisation du faisceau afin de maintenir le piédestal temporel à faible intensité sur la cible solide alors que l’impulsion principale, beaucoup plus intense, subira des effets non linéaires d’auto-focalisation dans le gaz lui permettant de conserver une intensité élevée au point d’interaction. Cette méthode va ainsi permettre ainsi améliorer de façon sélective le contraste effectif sur cible entre le piédestal et l’impulsion principale, tout en levant plusieurs contraintes expérimentales associées à l’utilisation de longueurs focales très courtes pour atteindre des intensités lasers très élevées.

L’objectif de la thèse sera, dans un premier temps, de déterminer numériquement les paramètres optimaux ( position et intensité de focalisation, densité plasma) de cette méthode à l’aide de simulations particule-in-cell (PIC). Dans un second temps, il s’agira d’en démontrer expérimentalement la faisabilité sur un laser 100 TW. Enfin, la thèse visera à évaluer son potentiel de transposition à des installations laser de classe PW, dans la perspective d’ouvrir une nouvelle voie vers l’exploration expérimentale du régime des champs forts de la QED.

Votre Environnement de Travail

Le Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA) est une unité mixte de recherche (UMR 7639) associant le CNRS, l'École polytechnique et l'ENSTA Paris, située sur le campus de Palaiseau.
Le laboratoire est une référence internationale dans les domaines des lasers ultrarapides, de la photonique, des plasmas et des accélérateurs de particules par laser.
Il regroupe environ 80 personnes, dont des chercheurs, enseignants-chercheurs, ingénieurs, doctorants et post-doctorants.
Ses recherches vont de la physique fondamentale aux applications en médecine, en physique des hautes énergies, en imagerie et en instrumentation.
Le LOA est organisé en plusieurs équipes de recherche. Les principales thématiques sont : le développement de lasers femtoseconde, les interactions laser-matière, les plasmas relativistes, les sources compactes de rayonnements X, les accélérateurs plasma et la filamentation laser.

Présentation de l'équipe d'accueil UPX (Ultrafast Particles and X-rays)
L'équipe UPX est l'une des principales équipes du LOA. Elle s'intéresse à la production de particules (principalement des électrons) et de rayonnements X ultrabrefs grâce à l'interaction entre des lasers ultra-intenses et des plasmas.

Ses recherches portent principalement sur :

-le développement d'accélérateurs de particules compacts utilisant les plasmas ;
l'étude des mécanismes fondamentaux de l'interaction laser-plasma en régime relativiste ;
-la génération de sources X ultrarapides pour l'imagerie et le diagnostic de phénomènes très rapides ;
-le développement de nouvelles applications en physique, en science des matériaux et en imagerie ;
-l'amélioration des performances des faisceaux d'électrons (énergie, stabilité, qualité).

L'équipe UPX combine des travaux expérimentaux, des simulations numériques et des développements instrumentaux.

Contraintes et risques

Une formation laser sera réalisée sur place au debut de la thèse.

Rémunération et avantages

Rémunération

La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel

Congés et RTT annuels

44 jours

Pratique et Indemnisation du TT

Pratique et indemnisation du TT

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Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€

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Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.

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