Contexte :
Les sources laser de puissance pétawatt délivrent de nos jours des impulsions optiques de durée ultra-brève (< quelques dizaines de femtosecondes), mettant en jeu des champs de plusieurs TV/m et des intensités supérieures à 1020 W/cm2. Lorsqu’un tel faisceau de lumière interagit avec un gaz ou une cible solide, les électrons accélérés par la force pondéromotrice du champ laser deviennent relativistes et acquièrent des énergies élevées (> GeV). Ces installations produisent par interaction laser-matière des rayonnements variés, comme des photons X durs ou encore des paires électronpositron par conversion de photons gamma. Si une telle lumière extrême permet de générer du rayonnement dans les parties les plus élevées du spectre électromagnétique, elle met aussi en oeuvre des processus de conversion vers les fréquences beaucoup plus basses appartenant au domaine térahertz (THz). Disposer d’émetteurs térahertz de forte puissance et à bande spectrale large (de 0.1 à 100 THz environ) suscite de plus en plus d’intérêt en Europe, outre-Atlantique et en Asie, parce que les ondes opérant dans ce domaine permettent de sonder les mouvements inter- et intramoléculaires d’espèces chimiques complexes. L’exploitation de ce domaine spectral trouve ainsi de nombreuses applications en médecine pour la détection de cancers, en astrophysique pour l’observation des âges de l’univers, dans le domaine de la sécurité et la surveillance de l’environnement, et plus généralement en spectroscopie moléculaire. Plus particulièrement, nos activités de recherche s’appliquent à la détection et à l’identification de molécules d’explosifs à distance dans le cadre d’un projet soutenu par l’ANR/ASTRID. Cette dernière application nécessite le transport d’un rayonnement THz de puissance suffisante dans l’air. Depuis quelques années, les schémas d’accélération de particules par laser-plasma sont exploités afin de créer du rayonnement térahertz de très forte amplitude et d’énergie supérieure au millijoule. Très récemment, nous avons pu démontrer numériquement la possibilité de produire des impulsions THz de champs atteignant jusqu’à 100 GV/m. Le processus majeur est le rayonnement de transition cohérent apparaissant à l’interface plasma/vide. Nous proposons d’optimiser ce rayonnement produit par des particules accélérées (électrons, ions) en jouant sur les caractéristiques du matériau d’interaction et sur la longueur d’onde laser. Des sources laser opérant dans l’infrarouge moyen ou lointain sont en effet désormais disponibles et peuvent fournir des impulsions optiques énergétiques de quelques cycles optiques, ce qui
ouvre des perspectives prometteuses pour l’amélioration des spectres térahertz. Ce champ de la physique demande un travail de modélisation théorique et numérique totalement novateur, à la croisée de l’optique non-linéaire extrême et de la physique des plasmas relativistes.
Objectif de la thèse :
Déterminer les régimes relativistes d’interaction laser-matière donnant accès aux champs THz les plus élevés pour une large gamme de longueurs d’onde laser.
Déroulement de la thèse :
La première année de thèse consistera à acquérir les connaissances bibliographiques nécessaires au travail proposé. L’étudiant(e) sera invité(e) à modéliser analytiquement l’émission de champs électromagnétiques créés par un faisceau de particules accélérées dans un plasma relativiste. Des scénarios et des dispositifs originaux optimisant la production de rayonnement THz seront proposés. En parallèle l’étudiant(e) commencera à utiliser le code de type « particle-in-cell » CALDER disponible au CEA.
La deuxième année de thèse aura pour objectif de tester les schémas d’interaction proposés par l’étudiant(e) à partir de simulations réalisées sur les super-calculateurs massivement parallèles du CEA-DIF. L’étudiant(e) acquerra ainsi une formation dans le calcul haute performance sur des machines exaflopiques de nouvelle génération.
La troisième année de thèse sera consacrée à la confrontation des résultats théoriques et numériques acquis par l’étudiant(e) avec des données expérimentales obtenues dans le cadre de collaborations nationales ou internationales. Cette dernière année sera aussi celle de la rédaction du mémoire de thèse.
Le (La) candidat(e) devra posséder une formation avancée en optique non-linéaire, en physique des plasmas et/ou en calcul
scientifique.
Directeur de thèse et école doctorale :
Luc BERGE – ED Ondes et Matière (OM) – ED 572 – Université Paris-Saclay
Contact :
Luc BERGE – CEA/DIF – Bruyères-le-Châtel – 91297 Arpajon – 01 69 26 40 00