Experiences à ultra-haut contraste et ultra-haute intensité Physics at igh ntensity P.Monot T. Ceccotti, S. Dobosz, H. Lagadec, F. Quéré, H. George, M. Bougeard, G. Bonnaud, F. Réau, M. Lelek, P. D’Oliveira, C. Thaury, A. Levy, H. Popescu, A.André, A. Flacco, J. Robiche, Ph. Martin Coll. J-P. Geindre, P. Audebert, R. Marjoribanks, E. Lefebvre, R. Nuter, A. Andreev

? Cible gazeuses : accélération d’électrons (nouvelle activité) Notre préoccupation scientifique: réponse non linéaire de la matière soumise à des éclairements élevés laser Solid target What appens when a short (<100 fs) ultra-intense laser (1018 to 1020 W/cm2) is focused onto a solid taget ? ? Notre programme scientifique - Cibles solides: Génération d’harmoniques Accélération d’ions Diagnostics XUV Cible gazeuses : accélération d’électrons (nouvelle activité) en collaboration avec LULI, LOA, LPGP, ILIL…

? Où est la complexité ? laser électrons cible temps ( Beaucoup de photons, beaucoup de matière, beaucoup de charge, pas d ’équilibre ) laser électrons ? cible temps -la matière devient rapidement un plasma dense (opaque) -le mouvement des électrons est relativiste, en 100 fs les ions ne bougent pas -les électrons sont forcés par le champ laser à rentrer dans la cible périodiquement -les électrons excitent des ondes plasmas dans la matière dense -la dynamique est sub femtoseconde (attoseconde<<< électronique)

Problème : confrontation laser idéal pour l’expérimentateur/ réalités technologiques  Un problème “universel”? A young and unknown physicist dreaming about imaginative theories concerning general relativity A realistic but imperfect experimental facility to test general relativity laser Solid target Time (ps) 100 Intensity (W/cm2) -50 50 10 12 14 16 18 Profil temporel réel laser Solid target Low density pre-plasma Seuil de dommage Profil temporel idéal Fluctuations tir à tir!

Génération d’harmoniques? laser target grating  La première signature de la réponse non-linéaire de la matière= hamoniques? high contrast low contrast Harmonic order 10 11 12 P.Monot et al, Optics Lett., 29, 893 (2004)

T. Ceccotti, Phys. Rev. Lett. 99, 185002 (2007) Ions Rapides? FWD High contrast 1 2 3 4 5 6 0.1 10 100 1000 Max Energy (MeV) Thickness (µm) Thickness , Emax  Stronger electron confinement Limited electrons dispersion A.J. Mackinnon et al., PRL 88, 215006-1 (2002) D. Neely et al., App. Phys. Lett. 89, 021502 (2006) Low contrast Epaisseur optimale Plus bref T. Ceccotti, Phys. Rev. Lett. 99, 185002 (2007)

Intensity (W/cm2) Time (ps) Le problème du profil temporel Real temporal profile 2 problèmes: -Comment supprimer le piédestal -Comment la mesurer avec la dynamique nécessaire Time (ps) 100 Intensity (W/cm2) -50 50 10 12 14 16 18 Seuil de dommage Profil temporel idéal

Principle: probe the temporal profile with a delta function Delta function=frequency doubling Signal=3 Frequency doubling 2w=delta fonction Variable delay line Detector Frequency mixing Acquisition Development of 4 generations of high dynamic third order crosscorrelators

Miroirs Plasmas :commutateurs optiques ultra-rapides Peut-on supprimer le piédestal?  oui! Miroirs Plasmas :commutateurs optiques ultra-rapides Transparent medium BV BC The pedestal goes through the transparent medium 10 eV 1 eV Plasma creation ne>ncreflecting plasma Multiphotonic absorption or tunnel effect + avalanche BV BC G. Doumy et al., Phys. Rev. E ,2004

10-10 Profil temporel du laser UHI10 -saclay Intesity (u. arb.) 10 Time (ps) Intesity (u. arb.) -100 -60 -20 20 60 10 -12 -10 -8 -6 -4 -2 Sans miroir plasma Everest 10-10 Avec miroir plasma gain104 galet Seuil de dommage bactérie 10 ordres de grandeur! A. Lévy et al., Optics Letters 32, 310 (2007)

 Reproductible experiments close to ideal and computable conditions Laser beam Numerical simulations of the electronic density dynamic Fast bwd electrons Fast fwd electrons Plasma wave excitation vacuum target Rear face electrons vacuum time

I génération d’ Harmoniques d’ordres élevés / solides II accélération d’ Ions par un miroir plasma III Conclusion et perspectives

Relativistic Oscillating Mirror I=8.10 18 W/cm2 Génération d’Harmoniques d’ordres élevés sur cible solide -10TW Relativistic Oscillating Mirror Contact F. Quéré 14 15 16 17 18 19 20 l (nm) 20 µJ ! 65 60 55 50 45 40 35 Spectre contenant les multiples de la fréquence du laser I=8.10 18 W/cm2 Fast bwd electrons USING THIS Set-up, Here is an harmonic spectrum obtained on plastic at this intensity. Harmonic are obtained up to the plasma frequency of this target, which is around harmonic 15. Now here is a spectrum obtained on silica, a denser target, at the same uitensity. Again, broad harmonics are obtained up to order 20, corresponding to the plasma frequency of the target. All these harmonics are due to CWE. Now, when the intensity is increased on plastic, much narrower harmonics appear beyond the plasma frequency, almost all simultaneously. Nouvelle source UVX intense et ultra-brève

Modèle du miroir oscillant Génération d’ harmoniques par cible solide Modèle du miroir oscillant Faisceau laser E t 1-géneration d’un plasma à la densité critique  Milieu réfléchissant 2-Champ électrique du laser: induit une oscillation de la surface critique réfléchissante Blue shift Red shift Effet Doppler oscillant ou Auto modulation de phase du faisceau laser

Thaury et al, Nature Physics, 10.1038/nphys986 (2008) Génération d’ harmoniques par cible solide Rayonnement cohérent : accès aux propriétés de phase Mesure de la dépendance de la phase par technique interférométrique I1 I2 > I1 Les harmoniques sont des sondes de la dynamique électronique ultra-rapide! Time (optical cycle) Temps d’émission=f(I) Thaury et al, Nature Physics, 10.1038/nphys986 (2008)

-résultats préliminaires @ 100 TW

Laser UHI100 in operation since mid 2009 100TW pulses t ≤ 25 fs, Contrast  1013 On target focal spot Intensity ~ 5 1019 W/cm2

HHG @ 25 fs Contrast > 1012, ILaser=3x1019W/cm2 Bulk target Relativistic CWE+Relativistic 100 nm 20 nm 7 nm Very promising results ! – Harmonics are very sensitive to surface quality: 7nm foils remain « mirror like » : signature of an excellent contrast -Harmonic « probe » efficient in conditions relevant to fast ion emission

I≈2.1020 W.cm-2 Dromey et al, PRL 99, 085001 (2007) Dromey et al, Nature Physics 2, 456 (2006)

II accélération d’ions Contact : T. Ceccotti Fast bwd electrons Fast fwd electrons Plasma wave excitation vacuum target vacuum Rear face electrons time

principe e- protons Choc électrostatique à la discontinuité de matière Effet  courant électronique;  épaisseur (cibles<1 µm donc très fragiles ! )  importance du contraste

T. Ceccotti, Phys. Rev. Lett. 99, 185002 (2007) Accélération d’ions par miroir plasma Experiment on UHI10 Laser : mylar target, 45° incidence angle, p polarization FWD H+ High contrast Low contrast 1 2 3 4 5 6 0.1 10 100 1000 Max Energy (MeV) Thickness (µm) - + TNSA S.C. Wilks et al., Phys. of Plasmas 8, 542 (2001) Forward H+ C6+ C5+ C4+ C3+ C2+ C+ T. Ceccotti, Phys. Rev. Lett. 99, 185002 (2007) Real time single shot ion detection

Accélération d’ions par miroir plasma Experiment on UHI10 Laser :mylar target, 45° incidence angle, p polarization BWD H+ FWD H+ Forward Backward H+ C6+ C5+ C4+ C3+ C2+ C+

De l’oscillateur harmonique à la soupe + + - De l’oscillateur harmonique à la soupe

Résultats expériences @ Haut Contraste accélération d’ions Résultats expériences @ Haut Contraste grille Cible: 1.5 µm CH cible RCF laser maillage = 500 µm maillage = 12,7 µm

application of energetic ionic sources to proton therapy IONS@ 25 fs, Semi-infinite Targets Contrast > 1012, ELaser0.85 J, ILaser=3 1019W/cm2 150 MeV BWD H+ 1PW 5 10 15 20 25 30 35 1 2 3 4 6 7 Laser Power (TW) Max proton Energy (MeV) De nouveaux régimes d’interaction ? Application en proton - thérapie ? SAPHIR project application of energetic ionic sources to proton therapy Amplitude Technologies CEA-Saclay LOA Dosisoft Propulse SAS Institut Curie Institut Gustave Roussy Centre de Proton-thérapie Orsay

Perspectives : Interaction à 100TW ? Conclusion Interaction à ultra-haute contraste et ultra-haute Intensité Production de sources brillantes de particules et de lumière - L’étude des sources renseigne sur le scénario de l’interaction, sur la dynamique électronique aux échelles de temps les plus courtes (as) - Sources brillantes pour des applications ? (ICF, Hadrontherapy, imaging…) Perspectives : Interaction à 100TW ? -de nouveaux régimes d’accélération d’ions ? – qq dizaines de MeV ?- applications ? -reconstitution de la dynamique attoseconde du mouvement des électrons -emission dans le domaine du keV ? -GeV electrons ? Maîtrise du contraste temporel essentielle

Collaborations E. Lefebvre, R. Nuter J.P. Geindre, J.R. Marques LULI France E. Lefebvre, R. Nuter CEA/DAM France J. Faure, V. Malka Laboratoire d’Optique Appliquée France A. Giulietti, L. Gizzi, S. Betti ILIL Italy A. Andreev, Vavilov State Optical Institute Russia D. Giulietti INFN Italy J. Limpouch, O. Klimo FNSPE, Tech. University Czech Republic Anatoly, Tania Faenov JAEA Japon Of course we don’t carry out this work all alone but we can count on several collaborations, which are listed here, in France as well as in Europe (Italy, Russia, for instance) K.J.Boller, R. Loch LPNO- Twente University The Netherlands A. Macchi INFM Italy 28

Coherent Wake Emission High Order Harmonic Generation from solid targets Coherent Wake Emission laser t0 t1 solid t3 t2 Emission from the excited plasma wave: cutoff = plasma frequency

Avant d’utiliser ce type de laser: nécessité de gérer la sécurité-nouveau dans notre discilpline Would you risk the life of this young, unknown and promising physicist ? Target laser plasma g Protons Electrons Neutrons Ions XUV Accélération d’ions par miroir plasma Need to limit the exposure of workers to fast particle and secondary ionizing emission -Conception and validation of shielded experimental area -Safety protocol -Education of workers -Operational dosimetry 3 CEA units involved: SPAM, SPR(radioprotection unit), SENAC (nuclear expertise and conception)

The Saclay UHI experimental area 1m concrete Compressor Experimental chamber Operation agreement with respect to detailed calculations and “daily” dosimetry calculations Experimental chamber wall mSv/pulse Concrete wall vacuum Air Neutron dose 1 m Photon dose Dedicated Automate for Safety management « daily » dosimetric measurement 3mSv RPL 1.2mSV FLI 6.3mSv RPL 1.6mSV FLI 14mSv RPL 5mSV FLI 99µSv RPL 63µSV FLI 5mSv RPL 1.8mSV FLI 1 2 3 4 11 8 5 6 12 7 3mSv RPL 1mSV FLI 10 9 90µSv RPL 55µSV FLI 2mSv RPL 0.7SV FLI 132µSv RPL 258µSV FLI 1.2mSv RPL 0.4mSV FLI 77µSv RPL 55µSV FLI 10mSv RPL 4mSV FLI 14 13 0µSv RPL 0µSV FLI 85µSv RPL 57µSV FLI Typically measured dose=1/4 calculated dose (overestimation of source term for safety)

UHI10DPM UHI100 UHI100 DPM (estimated) What about the temporal contrast ? 5x1019 5x1018 10 18 UHI10DPM 10 16 UHI100 UHI100 DPM (estimated) 10 14 Intensity (W/cm2) 10 12 Dammage threshold 10 10 3ps -3ps Time (ps) Expected contrast over the dynamic of today’s correlators

Radiochromic Films measurements Ionic acceleration from thin foils @ 10 TW, 60 fs divergence and flux SYMMETRY of the acceleration ! BWD FWD 0.45 MeV 1.9 MeV - + E TNSA valid for both sides RCF Radiochromic Films measurements

2 mécanismes de génération Génération d’Harmoniques d’ordres élevés sur cible solide -10TW Contact F. Quéré 2 mécanismes de génération Emitted electromagnetic field Fast bwd electrons Fast fwd electrons Plasma wave excitation

I=8.10 18 W/cm2 I=3.10 18 W/cm2 Relativistic threshold = 5.1018 W/cm2 Génération d’ harmoniques par cible solide 2) Coherent Wake Emission I=8.10 18 W/cm2 Relativistic threshold = 5.1018 W/cm2 Cutoff w=wp, n=15 I=3.10 18 W/cm2 USING THIS Set-up, Here is an harmonic spectrum obtained on plastic at this intensity. Harmonic are obtained up to the plasma frequency of this target, which is around harmonic 15. Now here is a spectrum obtained on silica, a denser target, at the same uitensity. Again, broad harmonics are obtained up to order 20, corresponding to the plasma frequency of the target. All these harmonics are due to CWE. Now, when the intensity is increased on plastic, much narrower harmonics appear beyond the plasma frequency, almost all simultaneously. Fast fwd electrons Plasma wave excitation

Non Linear Filtering with a DPM compression chamber experimental chamber