18 Décembre – Soutenance de thèse - Bertrand Martinez

14 h Ecole Polytechnique (Palaiseau)

Effets radiatifs et quantiques dans l'interaction laser-matière ultra-relativiste.

Les futures installations laser multi-pétawatts, tels les projets Apollon (France) et Extreme Light Infrastructure (République Tchèque, Hongrie, Roumanie), permettront d’atteindre  des intensités sur cible dépassant 10^22  Wcm^(-2).  Dans de telles conditions, l’interaction laser-matière met en jeu des processus plasmas ultra-relativistes couplés à des mécanismes radiatifs et d’électrodynamique quantique (QED). Ce nouveau régime d’interaction laisse présager de nombreuses applications transdisciplinaires en recherche fondamentale et appliquée, incluant le développement de sources compactes et ultra-intenses de particules énergétiques, la reproduction de phénomènes astrophysiques relativistes ou des tests expérimentaux de divers aspects de la QED.
La plupart des études théoriques sur ce sujet ont porté sur l’impact de l’émission synchrotron et de la production de paires électron-positron par le processus de Breit-Wheeler, tous deux induits par le champ laser et censés dominer l’interaction à des intensités >10^22  Wcm^(-2). À de plus faibles intensités (≲10^21  Wcm^(-2)), l’émission de photons et la création de paires procèdent essentiellement du Bremsstrahlung et des processus de Bethe-Heitler/Trident, tous déclenchés sous l’action du champ Coulombien atomique. La transition entre ces différents régimes a toutefois été peu explorée, notamment au moyen de simulations cinétiques intégrées. Cette thèse vise précisément à étudier les processus mentionnés ci-dessus dans divers scénarios d’interaction laser-plasma relativiste. Ce travail a été réalisé à l’aide du code particle-in-cell (PIC) CALDER conçu au CEA/DAM, qui, au début de ce travail, modélisait déjà les mécanismes synchrotron et Breit-Wheeler.
La première étude a permis d’étendre les capacités de simulation du code PIC aux mécanismes Coulombiens de génération de photons et de positrons. Les sections efficaces des processus Bremsstrahlung et Bethe-Heitler implémentés tiennent compte des variations de l’écrantage électronique selon le degré d’ionisation du milieu traversé par les électrons et les photons. Après validation des modules Monte Carlo associés, nous avons mené une étude numérique de la génération de positrons par Bremsstrahlung/Bethe-Heitler et Trident lors du transport d’électrons relativistes dans une cible de cuivre. Comparées à un modèle théorique, nos simulations mettent en lumière l’impact des transferts d’énergie entre électrons et ions (via l’accélération de ceux-ci) sur la création de paires dans des cibles fines.
Nous nous intéressons ensuite à la compétition entre le Bremsstrahlung et l’émission synchrotron dans des feuilles de cuivre irradiées par un laser femtoseconde d’intensité 10^22  Wcm^(-2). La production de photons >10 keV s’avère maximale dans des cibles de quelques dizaines de nanomètres devenant transparentes, par effet relativiste et expansion ultra-rapide, durant l’impulsion laser, et est alors imputable à l’émission synchrotron. Le Bremsstrahlung gagne en importance avec l’épaisseur de la cible, jusqu’à prendre le pas sur l’émission synchrotron au-delà de ∼2 μm. Les propriétés spectrales des deux mécanismes sont analysées en détail et corrélées à l’évolution ultra-rapide de la cible.
Finalement, nous explorons le potentiel de cibles composées de nano-fils pour augmenter le rayonnement synchrotron. Plusieurs régimes de rayonnement sont mis en évidence selon les paramètres de la cible et en fonction du temps. Une étude paramétrique nous permet d’identifier la géométrie la plus efficace, s’illustrant, pour une intensité de 10^22  Wcm^(-2), par un taux de conversion radiatif d’environ 10%. Cette configuration conduit à une détente rapide des nano-fils durant l’interaction, produisant un plasma quasi uniforme et transparent à l’essentiel de l’impulsion laser. En outre, nous montrons que si des cibles uniformes de faible densité reproduisent les performances optimales des nano-fils, ceux-ci assurent un rayonnement élevé sur une plus grande plage de densité moyenne.

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