Interaction Laser Plasma Dans Le Régime Relativiste : Application À La
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Interaction laser plasma dans le r´egimerelativiste : Application `ala production de sources ultrabr`eves de particules ´energ´etiques. Mauro Manclossi To cite this version: Mauro Manclossi. Interaction laser plasma dans le r´egime relativiste : Application `ala produc- tion de sources ultrabr`eves de particules ´energ´etiques..Physics. Ecole Polytechnique X, 2006. English. <pastel-00002571> HAL Id: pastel-00002571 https://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00002571 Submitted on 28 Jul 2010 HAL is a multi-disciplinary open access L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destin´eeau d´ep^otet `ala diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publi´esou non, lished or not. The documents may come from ´emanant des ´etablissements d'enseignement et de teaching and research institutions in France or recherche fran¸caisou ´etrangers,des laboratoires abroad, or from public or private research centers. publics ou priv´es. Th`ese pr´esent´ee`al’Ecole´ Polytechnique pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’ECOLE´ POLYTECHNIQUE ET DE L’UNIVERSITA` DI MILANO-BICOCCA Sp´ecialit´e: Lasers et Mati`ere par Mauro MANCLOSSI Ultra High Intensity laser produced fast electron transport in under-dense and over-dense matter soutenue publiquement le 19 Avril 2006 devant le Jury compos´ede : M. Dimitri BATANI Universit`adi Milano Bicocca, Italie Directeur de th`ese M. Tom HALL University of Essex, Angleterre M. Maurizio LONTANO Istituto di Fisica del Plasma ”Piero Caldirola”, Italie Rapporteur M. Victor MALKA Ecole´ Polytechnique, France Directeur de th`ese M. Vladimir TIKHONCHUK Universit´ede Bordeaux I, France Pr´esident du Jury M. Claes-Goran WAHLSTROM Lund Institute of Technology, Su´ede Rapporteur Th`esepr´epar´eeau Laboratoire d’Optique Appliqu´eeUMR 7605 ENSTA – Ecole´ Polytechnique – CNRS ¿Para que sirve la utop´ıa? Para eso sirve: para caminar. Eduardo Galeano (1940-) ”Man muss noch Caos in sich haben, um einen tanzenden Stern zu geb¨ahren” Friedrich Nietzsche (1844-1900) Ai miei genitori, Egidio e Maria Rosa i ii Remerciements Je tiens d’abord `aremercier Danielle Hulin et G´erard Mourou, successivement di- recteurs du laboratoire LOA, commun `al’Ecole´ Polytechnique et `al’ENSTA, pour m’avoir accueilli et permis d’effectuer ce travail de th`ese dans d’excellentes conditions. Je remercie chaleureusement les membres du jury de th`ese de m’avoir honor´ede leur pr´esence et de l’intˆeret qu’ils ont manifest´ebien avant la soutenance. Je remercie notamment Vladimir Tikhonchuk qui a accept´ela pr´esidence du jury ainsi que Tom Hall pour son point de vue original et critique. Je remercie sp´ecialement Maurizio Lontano et Claes Goran Wahlstrom d’avoir accept´ela charge ingratte de rapporteurs `apartir de la version non finie du manuscrit que je leur avais remis. Je tiens bien ´evidemment `aremercier Victor Malka, responsable de ce travail de th`ese, qui m’a introduit dans le laboratoire. Victor m’a donn´esa confiance en me proposant un sujet de th`ese original et en se battant pour me trouver un finance- ment. Victor est un chercheur avec des intuitions brillantes et une grande puissance p´edagogique, capable avec une attitude toujours positive d’obtenir le meilleur de cha- cun. Au cours de ces ann´ees, j’ai appreci´eson pragmatisme, sa rigueur et sa capacit´e `amettre la pression quand il faut bosser et l’ambiance de rigolade lorsqu’on peut ou lorsqu’il faut se d´etendre un peu. Je le remercie pour m’avoir toujours fait confiance, encourag´eet pouss´e`aacqu´erir autonomie et d´etermination dans mon travail. Je remercie ´enormement Victor pour sa disponibilit´eet son humanit´equi vont bien au-del`ades devoirs d’un directeur de th`ese: Victor a ´et´ebeaucoup plus. Je suis ensuite tr`es particuli`erement reconnaissant a Dimitri Batani qui a co-dirig´e cette th`ese. Dimitri rappresenta per me la vera essenza di un ricercatore: sempre appassionato ed entusiasta, incredibilmente aperto, mai scientificamente autoritario (anche se sempre autorevole) e soprattutto sempre disponibile alla discussione e a rimettersi in causa in prima persona. Dimitri mi ha aperto la porta del mio primo laboratorio (LULI dell’Ecole´ Polytechnique) e mi ha in seguito dato voglia e incorag- giato a continuare con un dottorato. Dimitri mi ha introdotto nella comunit´ascien- tifica internazionale e mi ha permesso di partecipare a numerose conferenze, spesso in luoghi da favola.....Vorrei ringraziare Dimitri per essersi cos´ıtanto implicato nella iii mia tesi, soprattutto per quanto concerne l’analisi e l’interpretazione dei risultati e per avere infine assolto l’ingratissimo compito del primo revisore della primissima versione del manoscritto. Grazie Dimitri per la tua disponibilit´aassoluta (compresa la vigilia di Pasqua), per la tua umanit´a,per la fisica scritta dietro gli scontrini della tratto- ria cinese a Bicocca (memore dell’insegnamento del sommo Fermi secondo il quale la fisica di un problema deve sempre poter essere scritta sul retro di una busta...), per avermi fatto ripetere il discorso della conferenza SIF sulla rer B, accompagnato da ”Sono un italiano” di Toto Cotugno. A questo proposito il mio unico rimpianto ´edi non avere avuto diritto (come qualcuno pi´ufortunato di me) ai cerchi esplicativi scritti con un bastone sulla sabbia nel parco vicino a casa tua, come il grande Archimede al centurione romano: ”Noli tangere circulos meos”. Grazie di cuore, grazie per essere Dimitri. Je tiens `aremercier de mani`ereparticuli`ere Joao Santos, un bon ami, avec qui j’ai partag´edes longues journ´ees et des longues nuits de manip. Joao a ´et´een ef- fet le responsable d’une grande partie des exp´eriencesmen´ees pendant ce travail de th´ese. Cette derni`ere est pour une bonne partie, et c’est peu dire, la logique contin- uation d’une th´ematique et d’un long travail que Joao avait d´ej`aentam´e. Joao est un chercheur scientifiquement g´en´ereux dont j’ai beaucoup appris, d’un point de vue de la conduite d’une exp´erience, des techniques exp´erimentales ou de la m´ethodologie d’analyse. Pour tout cela, ma gratitude est ´enorme: ”Obrigado” Joao!! Je tiens ´egalement `aexprimer ma reconnaissance `aJ´erˆomeFaure qui mˆeme si engag´eprincipalement dans une autre th´ematique du groupe, a toujours fait tout son possible pour ˆetreimpliqu´e,en me donnant souvent des conseils pr´ecieux pendant nos manips, et surtout en participant activement `ala tr`es longue phase d’analyse et d’interpration des r´esultats. Je tiens encore `aremercier Vladimir Tikhonchuk et Arnaud Debayle pour m’avoir accueilli plusieurs fois au sein du laboratoire CELIA `aBordeaux. Cette th`ese est loin d’ˆetreun travail exclusivement personnel et je souhaite re- mercier les diff´erentes ´equipes de chercheurs, ing´enieurs, techniciens, administratifs des laboratoires LOA et LULI o`ules exp´eriences ci d´ecrites ont et´erealis´ees. Merci a Alain pour son aide et disponibilit´ependant les experiences en ”Salle Jaune” et aux autres etudiants (thesards et post docs) du LOA, par leur accueil et leur soutien professionnel ou amical. Un ringraziamento particolare a Federico e Thomas per la complicit´anelle nostre sventure, per i mille favori, per essere stati pi´uvolte coinvolti in loschi traffici di libri, vestiti, salami, pacchi del terrone etc...Grazie Fede per tutti i Nespresso (”what else?”) e per l’atmosfera di ”little Italy” all’LOA....”pohhpopoppopopohhpo.....CAMPIONI DEL MONDO!!!!” iv Grazie a Petit e soprattutto a Osvi e Piedo per la compagnia durante la fase di redazione. E per concludere, un grazie di cuore a Thomas per troppe cose e a Lisi....Per ancora di pi´u.....! Grazie! v vi Contents Remerciements iii I Introduction 1 1 Research framework 3 1.1 High power lasers .............................. 3 1.2 Laser-matter interaction in the UHI regime ............... 5 1.3 Applications of laser-matter interaction in relativistic regimes ..... 7 1.3.1 Fast Ignitor ............................. 7 1.3.2 Other applications ......................... 12 II Theoretical considerations 17 2 Ultra High Intensity laser-matter interaction 19 2.1 Conversion of laser energy and electrons production .......... 19 2.1.1 Interaction in the nanosecond regime ............... 20 2.1.2 Interaction in the femtosecond regime .............. 22 2.1.3 Fast electron generation ...................... 25 2.2 Fast electron transport in matter ..................... 34 2.2.1 Collisional effects: fast electron scattering ............ 34 2.2.2 Collective effects .......................... 40 2.2.3 Competition between collisional and collective effects ...... 45 III Experiments and experimental results analysis 47 3 Fast electron Propagation in gas jets: Experimental results 49 3.1 Laser facility and experimental configuration .............. 52 3.1.1 LULI’s 100 TW laser ........................ 52 3.1.2 Interaction chamber and installed diagnostics .......... 53 3.1.3 Energy and temporal duration measurements .......... 54 vii 3.1.4 Target configurations ........................ 54 3.2 Shadowgraphy diagnostic ......................... 57 3.2.1 Shadowgraphy principle ...................... 57 3.2.2 ”Classical” shadowgraphy: 2D snapshot images ......... 60 3.2.3 ”Chirped” shadowgraphy: 1D temporal resolved images .... 61 3.3 Proton imaging diagnostic ......................... 63 3.3.1 Principles of proton probing techniques ............. 63 3.3.2 Sensitivity and resolution ..................... 66 3.3.3 Proton density modulation and deflection extraction ...... 67 3.3.4 Radiochromic film detectors .................... 68 3.3.5 Experimental arrangement .................... 74 3.4 Experimental results ............................ 76 3.5 shadowgraphy ................................ 76 3.5.1 Classical shadowgraphy results .................. 76 3.5.2 Chirped shadowgraphy results ................... 81 3.6 Proton imaging results ........................... 82 4 Fast electron propagation in gas jets: experimental results analysis 85 4.1 Fast electron propagation in conductors ................. 85 4.2 Fast electron propagation in insulators and neutral gases ........ 86 4.2.1 Fast electron ionization in dielectrics ..............