P. Monot Groupe de physique à haute Intensité CEA/DSM/IRAMIS/SPAM Accélération de particules par laser.

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1 P. Monot Groupe de physique à haute Intensité CEA/DSM/IRAMIS/SPAM Accélération de particules par laser

2 interaction avec des photons de fréquence élevée interaction à haute énergie-longue durée interaction forte puissance – courte durée ?

3 Impulsions longues, volume chauffé >> volume exposé Energie répartie sur un grand nombre de particules Pas d’énergie dissipée par conduction thermique Confinement de l’énergie cédée aux sites directement exposés -Matière exposée éjectée/fortement excitée  libération d’énergie -Matière non exposée intacte et froide Impulsion courte grand nombre de photons disponibles simultanément durée < temps caractéristique d’évolution de la matière Impulsion longue Exemple: l’ablation

4 En impulsion courte, on ablate uniquement la matière exposée sans dommages collatéraux. Impulsion longue Impulsion courte Exemple: l’ablation

5 L’outil=laser UHI de Saclay 100TW pulses t ≤ 25 fs, Contraste  10 9, intensité 10 20 W/cm 2 Un laser qui tient dans votre poche ! Un laser qui tient dans votre salon ! Un laser qui tient dans votre voiture ! (Eclairement à la surface du soleil = 10 4 W/cm 2 )

6 -Impulsions brèves (<temps de relaxation propre) et intenses (beaucoup de photons disponibles simultanément) Relaxation à haute énergie Interaction laser-électrons Mouvements ioniques post impulsion via champs E et B quasi-statique absorption relaxation Transfert d’énergie vers les degrés de liberté du milieu, élévation « lente » de la température →milieu très excité, très hors équilibre Interaction à faible intensité/longue durée Interaction UHI État très excité Caractéristiques de l’interaction UHI

7 -Durée Eosc=511 keV =m o c 2 pour I=3 x10 18 W/cm 2 et =1µm -ordres de grandeur énergie d’oscillation =énergie de masse au repos: -Puissance 10 fs= 3µm parcourus à c 10 fs <  laser < 1ps Période de vibration d’une molécule Transition vers un régime d’interaction relativiste Pourquoi bref? I=Puissance/surface =Energie/(txsurface) I  quand t  (beaucoup moins cher que d’augmenter l’énergie) E osc (ev)=1.7x10 -13 x I (W/cm 2 )x 2 (µm) -Mouvement classique d’oscillation d’un électron dans un champ laser  Relation directe entre éclairement et énergie communiquée aux électrons du milieu Caractéristiques de l’interaction UHI

8 Much more energy transfert when F//p Solution for plane waves A= vector potential Longitudinal drift k= laser wave vector classic relativistic Origine de l’efficacité du transfert d’énergie en régime relativiste Transverse motion: electrons escape from the laser k E B

9 Milieu amplificateur : seuil de dommage~ GW/cm 2 Pompage (flashes, laser…) Refroidir le milieux en volume entre deux tirs, faire croître les cristaux  ~cm Focalisation: cm  10 µm 1GW/cm 2 x10 6  10 15 W/cm 2 Comment amplifier une impulsion sans détruire les milieux amplificateurs ? Comment délivrer un éclairement élevé sur une cible, en maintenant un éclairement faible dans les milieux amplificateurs ? Est-ce si simple d’atteindre 10 19 W/cm 2 ? Limite « naturelle »

10 Impulsion brève de faible énergie 30 fs nJ Amplification (X10 9 ) 100 ps 3 J Etirement temporel (x10 4 ) 300 ps, nJ Compression temporelle(/10 4 ) 25 fs, 2,5J Compression spatiale (/10 6 ) 25 fs, 2,5 J,  =10 µm, I=10 19 W/cm 2 I - Caractéristiques de l’interaction UHI Principe de l’amplification d’impulsions à dérive de fréquence

11 Comment étirer une impulsion laser ?:  On impose une différence de marche entre les composantes spectrales x10 3  x10 6 Réseaux de diffraction Principe de l’amplification d’impulsions à dérive de fréquence

12 Modèle d’ionisation en champ statique (keldysh 1965) Potentiel Coulombien EiEi Création d’une barrière de potentiel par le champ laser Traversée par effet tunnel Calcul ab-initio sans paramètre ajustable I (W/cm 2 ) Interaction dipolaire électrique (V  E*x) Génération du plasma x On considère le champ laser figé à sa valeur maximale

13 Augmentation de la masse électronique (oscillation à la fréquence du laser) 00  1  m 0 N 2 q n e  Indice de réfraction d’un plasma Indice de réfraction r N(r) maximum au centre =lentille convergente e-e- e-e- Eclairement r Eclairement > éclairement obtenu dans le vide, longueur de propagation + importante autofocalisation diffraction autofocalisation diffraction qq TW pour n e =10 19 cm -3 n e /  min au centre Autofocalisation relativiste ?

14 Laser Autofocalisation relativiste et accélération d’électrons

15 ++++++++ ++++++++ ++++++++ ++++++++ ++++++++ ++++++++ ++++++++ ++++++++ ++++++++ -------- -------- -------- -------- -------- -------- -------- -------- -------- ++++++++ ++++++++ ++++++++ ++++++++ ++++++++ ++++++++ ++++++++ ++++++++ ++++++++ -------- -------- -------- -------- -------- -------- -------- -------- -------- qE plasma On module la densité électronique (facile car durée brève :Les ions sont immobiles) Densité électronique nene ne+nene+ne E max (GV/m)=0.3x(  n e /n e ) (%) x(n e ) 1/2 (10 17 cm -3 )* *Fabien Dorchies thèse de doctorat de l’école polytechnique-1998 Principe de l’accélération dans une onde plasma Champ ultra-intense car milieu « claqué » (accélérateur conventionnel qq10 MV/m) - Création d’un champ électrostatique intense  n e =50%, n e =5x10 18 cm -3  100GV/m: 100 MeV sur 1 mm,

16 Génération de l’onde plasma - Impulsion courte/période plasma Plasma issu de gaz Vitesse de phase=vitesse de groupe onde laser, proche de c Propulsion des électrons vers l’avant par force pondéromotrice, puis oscillation à la fréquence plasma Accélération d’électrons « Sillage laser »

17 17 ILE PPT 05.pptx / DF/20110829 - A POLLO N linear / non-linear acceleration linear regime: smaller laser intensities smaller plasma wave amplitudes lower E-field suitable for positron acceleration, and at high γ (faster wave) Plots courtesy of Victor MALKA non-linear regime  wave steepening -> wave breaking -> e– blowout  100x higher E-field, focussing at peak of E-field, e– only

18 Injection d’électrons -Injecteur externe (synchronisé, bref car phase déterminante) -auto-injection, par déferlement -électrons « chanceux »: population e - rapides Faible population, phase aléatoire: spectre large -combinaison d’effets radiaux et longitudinaux -Interaction relativiste -dimension longitudinale= radiale  injection à phase constante J. Faure et al., Nature 431, 541 (2004) S.P. Mangles et al., Nature 431, 535 (2004) Accélération d’électrons

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20 W.P. Leemans et al, Nature physics 2, 696 (2006) -comment guider le faisceau laser sur de grandes distances -comment injecter des électrons -comment stabiliser ? -quelles applications ? problématiques Accélération d’électrons

21 Milieux denses

22 Seuil de dommage des matériaux Temps (ps) 100 Eclairement (W/cm 2 ) - 50050 10 12 10 14 10 16 10 18 Profil temporel réel Peut-on conserver une cible intacte au moment de l’arrivée de l’impulsion principale ? Cible détruite ! Pas de particules  NON! La problématique du contraste

23 Création d’un plasma n e >n c  plasma réfléchissant G. Doumy et al., Phys. Rev. E,2004 Les miroirs plasmas :interrupteurs optiques ultrarapides pour l’amélioration du contraste temporel des lasers ultra-intenses ultra-brefs Peut-on corriger le profil temporel des lasers intenses ?  OUI! BV BC 10 eV 1 eV Milieu transparent Ionisation tunnel e- miroir plasma

24 Profil temporel de l’installation laser UHI10 Sans miroir plasma Double miroir plasma gain  10 4 10 -10 Everest Galet Bactérie miroir plasma

25 Courtesy JP. Geindre miroir plasma

26 Laser beam Numerical simulations of the electronic density dynamic target vacuum Fast bwd electrons Rear face electrons time  Reproductible experiments close to ideal and computable conditions Interaction à ultra-haut contraste Mouvement cohérent !

27 Génération d’ Harmoniques d’ordres élevés sur cible solide 141516 1718 1920 (nm) 20 µJ ! 65 6055504540 35 Spectre contenant les multiples de la fréquence du laser Nouvelle source UVX intense et ultra-brève Excitation non-linéaire du mouvement du plasma  Train d’impulsions brèves  Harmoniques

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

29 Dromey et al, PRL 99, 085001 (2007) Dromey et al, Nature Physics 2, 456 (2006) I≈2.10 20 W.cm -2 Modèle du miroir oscillant harmoniques sur cible solide

30 I 1 I 2 > I 1 Génération d’ harmoniques par cible solide Rayonnement cohérent : accès aux propriétés de phase Time (optical cycle) Temps d’émission=f(I) Mesure de la dépendance de la phase par technique interférométrique Les harmoniques sont des sondes de la dynamique électronique ultra-rapide! Thaury et al, Nature Physics, 10.1038/nphys986 (2008)

31 Cible Solide Laser Simulation numérique de la dynamique de la densité électronique cible vide Rear face electrons time Interaction à ultra-haut contraste

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

33 H+H+ C 6+ C 5+ C 4+ C 3+ C 2+ C+C+ Forward FWD H + Real time single shot ion detection Accélération d’ions par miroir plasma High contrast Low contrast 0 1 2 3 4 5 6 0.11101001000 Max Energy (MeV) Thickness (µm) T. Ceccotti, Phys. Rev. Lett. 99, 185002 (2007) S.C. Wilks et al., Phys. of Plasmas 8, 542 (2001) TNSA + + + - - -

34 H+H+ C 6+ C 5+ C 4+ C 3+ C 2+ C+C+ Forward FWD H + Backward BWD H + Accélération d’ions par miroir plasma

35 De l’oscillateur harmonique à la soupe + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - Accélération d’ions par miroir plasma

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37 Cible: 1.5 µm CH cible grille RCF laser maillage = 500 µm maillage = 12,7 µm accélération d’ions

38 BWD H + 1PW 150 MeV Application en proton - thérapie ? De nouveaux régimes d’interaction ? 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 accélération d’ions

39 Applications des protons rapides Radiographie de solides à haute résolution Allumage rapide pour ICF Laser cible protons Grille Détecteur Applications médicales -Traitement des tumeurs par prontonthérapie Protons Patient accélération d’ions

40 Sonder des champ E-M par protons Radiographie de E dans des milieux en cours d’implosion, d’explosion Les applications T=0 T=30 ps Rapport RAL 2005 accélération d’ions

41 Conclusion : Une physique riche tirée par les progrès rapides en technologie laser Les sources de particules secondaires renseignent sur la dynamique de l’interaction Elles possèdent des caractéristiques intéressantes en vue d’applications. Elles héritent des propriétés du laser Elles constituent d’excellentes sondes pour diagnostiquer les plasmas On peut imprimer un mouvement « cohérent » aux plasmas et les manipuler  Une nouvelle discipline est en train de naitre

42 perspectives Matière froide Ionisation  plasma Excitation harmonique Dynamique relativiste Évolution post- impulsion 10 14 W/cm 2 10 19 W/cm 2 Projet Apollon-Cilex 10 23 W/cm 2 ?

43 Laser Apollon Objectif : 1 tir/min Energie 150 J (1/10000LMJ) Durée 15 fs 10 PW (100x LMJ) Focalisable à 10 23 W/cm 2 Financé par contrat de plan état-région 2007-2013 (25 M€) CILEX Centre Interdisciplinaire Lumière EXtrême Réponse à l’appel à projet EQUIPEX 2010 (15 M€ équipement+5 M€ fonctionnement) Porteur du projet : F. Amiranoff (LULI-X) Institut de la Lumière Extrême (ILE) Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (LPGP) Fédération Lumière Matière Fédération (LUMAT ‐ LASERIX) Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique Graduate School (LCFIO) Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL) Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) Laboratoire Leprince ‐ Ringuet (LLR) Centre de Physique Théorique (CPhT) Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses (LULI) (co-tutelle CEA) Institut Rayonnement Matière de Saclay (IRAMIS) Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’univers (IRFU) DSM Saclay 12 partenaires CEA

44 CEA-Saclay University P11 L’Orme des merisiers 1km ENSTA Ecole Polytechnique Ecole Polytechnique Site CEA de l’« l’Orme des Merisiers » sur le campus Paris-Saclay

45 Long focal area (electrons, X) Apollon 10 P Laser UHI100 Laserix Exp UHI 100 Exp LASERIX Short focal area (ions, X) Cilex-apollon Cilex-Phac North CILEX set up

46 46 ILE PPT 05.pptx / DF/20110829 - A POLLO N APOLLON laser: e – acceleration (HE0) Responsable activité électrons = Arnd Specka LLR + P. Monot + Ph.Zeitoun qq Gev → qq 10 GV → qq 100 Gev ?

47 Génération d’ions Laser piston La totalité des électrons est accélérée, Séparation de charge  accélération ions Réflexion du laser sur électrons  accélération additionnelle qq 100 MeV → qqGev