Description du sujet de thèse

Dans l'accélération par sillage laser (Laser Wakefield Acceleration, LWFA), une impulsion laser femtoseconde est focalisée dans un plasma et y excite une onde plasma très intense. Cette onde plasma transporte un champ électrique de l'ordre de 100 GV/m, qui peut être utilisé pour accélérer des électrons du plasma jusqu’à des énergies de l’ordre du GeV sur seulement quelques centimètres, offrant ainsi la promesse d’une miniaturisation drastique des accélérateurs de particules.
Notre équipe au LOA construit actuellement une nouvelle plateforme pour développer un prototype d’accélérateur par sillage laser à haute cadence de répétition dans le cadre du projet LAPLACE-HC (LAser PLasma Acceleration CEnter at High repetition rate). Dans LAPLACE-HC, nous construisons un LWFA fonctionnant à 100 Hz, capable de produire des faisceaux d’électrons à énergies réglables dans la gamme 10–200 MeV. L’objectif de ce prototype est double :
• Mener des travaux de R&D pour porter les performances du LWFA à un niveau comparable à celui des accélérateurs conventionnels à radiofréquence (RF), en termes de stabilité des paramètres, de robustesse et de disponibilité du faisceau.
• Mener des travaux de R&D pour démontrer le fonctionnement à haute cadence de l’accélérateur sur de longues périodes, en particulier afin de permettre des applications du LWFA dans d’autres domaines, tels que le contrôle non destructif par rayon X pour l’industrie, ou encore spectroscopie pompe-sonde par rayons X dans les matériaux.
Ce projet de thèse portera sur l’étude théorique et numérique d’une source de rayons X par diffusion Compton inverse (Inverse Compton Scattering, ICS) en utilisant les paramètres de l’expérience LAPLACE-HC. Une telle source de rayons X, fonctionnant à 100 Hz et dans la gamme d’énergie des 100 keV, présenterait un intérêt considérable pour réaliser des études structurales de la matière condensée avec une résolution temporelle femtoseconde.
Concrètement, le travail portera sur les sujets suivants :
• Etude théorique d’une future source par diffusion Compton inverse avec les paramètres de LAPLACE-HC
• Modélisation complète à l’aide de simulations numériques de type Particle-In-Cell de l’accélérateur laser plasma et de la génération de rayon X
• Mise en œuvre de techniques de machine learning pour l’optimisation du processus de diffusion Compton
• Etude théorique et numérique de schémas exotiques de diffusion Compton inverse dans un accélérateur laser-plasma : transfert de moment angulaire orbital, transfert de polarisation radiale, etc…

Contexte de travail

La thèse se déroulera au Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA) à Palaiseau.
Membre de l'Institut Polytechnique de Paris (IP-Paris), le Laboratoire d'Optique Appliquée joue un rôle pionnier dans les domaines de l'interaction laser-matière et de la physique des plasmas depuis plus de 30 ans. Ses recherches couvrent un large spectre de sujets en science des lasers ultrarapides, notamment le développement de systèmes laser femtoseconde ultra-intenses, la physique de la filamentation laser dans l'air et la réalisation de sources compactes de rayonnement et de particules énergétiques ultrarapides pour des applications sociétales, académiques et industrielles. L’étudiant se joindra à une équipe d’environ 10 personnes, composée de chercheurs, ingénieurs de recherche, doctorants et post-doctorants.
Ce doctorat est financé par une bourse Marie Curie, qui comprend deux stages de deux semaines chacun à DESY en Allemagne.