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Interaction d’impulsions laser femtoseconde intenses avec une cible solide ultra mince: effet du contraste laser sur le régime d’interaction.

Gnedyuk, Semen (2016). Interaction d’impulsions laser femtoseconde intenses avec une cible solide ultra mince: effet du contraste laser sur le régime d’interaction. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 235 p.

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Résumé

Le développement technologique continu et rapide des lasers a ouvert la route vers des puissances crêtes et moyennes élevées et des régimes d’interaction laser-matière relativiste. Ainsi, l’accès aux intensités de lumière dépassant 1 × 1018 W/cm2 a permis aux chercheurs d’étudier une nouvelle physique avec un grand potentiel d’applications. Il s’agit de la production des sources de rayons X brillantes ultracourtes, la définition de l’équation d’état, les études des plasmas denses et chauds, l’accélération des particules (électrons, protons, ions) à haute énergie et l’activation nucléaire. Une des applications les plus intéressantes de l’accélération de protons par laser est la proton thérapie. Les qualités supérieures des sources de radiation et d’ions générées par laser pourraient en faire une alternative réaliste aux synchrotrons ou les accélérateurs qui sont très coûteux et encombrants. Le contraste d’intensité d’une impulsion laser est un des paramètres clés pour les intensités laser relativistes et les applications potentielles. Dans le cadre de cette thèse, un accent a été fait sur le rôle du contraste lors de l’interaction laser-matière et son amélioration avec les différentes techniques disponibles tels que le miroir plasma, l’absorbant saturable et XPW. Les résultats de la mise en place de ces outils ont montré une augmentation significative du contraste laser nanoseconde avec le problème du front de montée de l’impulsion laser qui était néanmoins présent. Les tests avec l’absorbant saturable ont prouvé que c’est un moyen potentiel d’amélioration du contraste mais les pertes d’énergie laser restent importantes. Les faisceaux de protons générés sur les deux faces d’une cible solide ont montré des énergies similaires, ce qui signifie la bonne qualité de surface à l’arrivée de l’impulsion laser et l’absence du bruit de fond important. Les mesures de la réflectivité de cible ont également prouvé que le contraste était suffisamment haut. Les expériences ont été effectuées avec des cibles solides ultra minces et minces pour lesquelles le contraste laser est encore plus important que pour des cibles d’épaisseur micrométrique car le bruit de fond et les pré-impulsions peuvent changer la dynamique d’interaction et même détruire la cible avant l’arrivée de l’impulsion principale. Nous avons observé la détente longitudinale et latérale très rapide des cibles, tant sur la face avant qu’arrière. Grâce à l’utilisation d’un interféromètre de Michelson couplé au diagnostic de l’ombroscopie, nous avons pu remonter à la densité électronique du plasma en expansion. Les températures électroniques très hautes sont atteintes, ce qui rend ces cibles intéressantes pour les études de la physique de haute densité d’énergie.

Abstract

The continuous and rapid technological development of lasers has opened a way towards high peak and average power and relativistic laser-matter interaction regimes. Thus, the access to light intensities over 1 × 1018 W/cm2 has allowed researchers to study new physics with a high applications potential. It goes about the generation of ultrashort bright X ray sources, the equation of state definition, hot dense plasmas studies, highly energetic particles acceleration (electrons, protons, ions) and nuclear activation. One of the most interesting applications of laser proton acceleration is proton therapy. The excellent qualities of the radiation sources and the laser generated ion beams could make them a realistic alternative to synchrotrons and the accelerators that are very expensive and bulky. The laser pulse contrast ratio is one of the key parameters for the relativistic laser intensities and the potential applications. Within the context of this thesis, an accent has been made on the role of the contrast within the laser-matter interaction and its improvement with the different available techniques such as plasma mirror, a saturable absorber or XPW. The results of the implementation of these tools showed a significant increase of the nanosecond laser pulse contrast with a persisting problem of the rising front of the pulse. The tests with the saturable absorber proved that it is a potential tool of the contrast improvement but the energy losses are quite high. The proton beams generated on both sides of a solid target have showed similar energies, which means the good target surface quality before the arrival of the main pulse and the absence of any considerable pulse background. The target reflectivity measurements have proved as well that the contrast was high enough. The experiments have been made with solid ultra thin and thin targets for which the contrast is even more important than for micrometric targets as the background noise and the pre-pulses can modify the interaction dynamics and even destroy the target before the main pulse arrival. We observed a very rapid longitudinal and lateral target decompression, both on front and rear sides. Thanks to the Michelson interferometer coupled to the shadowgraph diagnostic, we have managed to calculate the plasma electron density. Very high electron temperatures are attained, which makes these targets interesting for the study of High Energy Density Physics.

Type de document: Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Kieffer, Jean-Claude
Mots-clés libres: interaction laser-matière; plasmas; accélération des particules; contraste laser; cibles solides ultra minces et minces; Laser-matter interaction; plasmas; particle acceleration; laser contrast; ultra thin and thin solid targets
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 24 avr. 2017 20:02
Dernière modification: 24 avr. 2017 20:02
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/5110

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