Contexte :
Dans les expériences de Fusion par Confinement Inertiel (FCI) effectuées selon le schéma de l’attaque indirecte sur des installations multi-faisceaux de haute énergie telles que le Laser Mégajoule (LMJ) au CEA en France, des faisceaux lasers intenses traversent une cavité remplie de gaz. Aux niveaux élevés d’éclairement laser considérés (>1015 W/cm2), ce gaz est rapidement ionisé. Les faisceaux lasers se propageant dans le plasma ainsi formé deviennent sujets à différentes instabilités néfastes pour réaliser la fusion. Parmi celles-ci, nous trouvons les diffusions Raman ou Brillouin qui diffusent vers l’avant ou vers l’arrière de la cible une fraction notable de l’onde laser incidente, ou l’autofocalisation qui concentre l’énergie laser dans les zones où elle présentait déjà un maximum. Dès les années 80, des techniques dites de lissage optique ont été proposées pour tenter de supprimer ou réduire les effets négatifs de ces instabilités. Elles sont ainsi devenues un maillon très important de la FCI. L’idée du lissage optique est de briser les cohérences spatiales et temporelles des impulsions optiques afin que les longueurs et temps caractéristiques du faisceau laser soient plus petits que ceux requis pour le développement des instabilités. La brisure de la cohérence spatiale se traduit par l’étalement et la fragmentation du faisceau de manière à créer de nombreux grains de lumières appelés speckles (ou points chauds) suffisamment petits pour qu’ils véhiculent une puissance inférieure à la puissance seuil de déclenchement de l’autofocalisation. Alternativement ces techniques permettent de diminuer l’éclairement laser à des niveaux suffisamment faibles pour que les instabilités de rétrodiffusion ne puissent pas se développer. La brisure de la cohérence temporelle du faisceau se traduit par une forte réduction du temps de vie en un point donné (appelé temps de cohérence) des points chauds mentionnés ci-dessus. Lorsque ce temps de cohérence laser est réduit jusqu’à devenir du même ordre de grandeur que le temps de croissance des instabilités, ces dernières peuvent être inhibées. Le LMJ est une installation récente et des choix techniques sont encore possibles concernant le lissage. Mais, plus de lissage signifie aussi malheureusement moins d’énergie disponible et plus de modulations d’amplitude avec un effet délétère sur la propagation laser. Le choix des options de lissage est donc le résultat d’un compromis entre lutte contre les instabilités et énergie disponible. Ce compromis est susceptible d’évoluer en fonction de l’évolution de nos connaissances. Il est donc nécessaire de continuer à étudier différentes options ou améliorations des techniques de lissage sur les grandes installations laser pour pouvoir progressivement augmenter leurs performances dans les années à venir.
Objectif de la thèse :
Le but de la thèse est d’étudier, à l’aide de simulations numériques de faisceaux lasers lissés dans des plasmas de FCI, l’influence des options de lissage possibles sur le LMJ. Parmi celles-ci, nous pouvons citer la possibilité d’un lissage à deux couleurs ou l’option du lissage par double polarisation selon différents schémas possibles d’implémentation. D’autres pistes pourront être explorées en fonction des progrès technologiques attendus prochainement. Les moyens de simulation développés dans le laboratoire permettent déjà de modéliser la plupart des techniques de lissage envisageables aujourd’hui. En effet, nous disposons de deux outils indispensables à ce travail. Le premier est le code de « champ total »LMJ_FOC. Il permet de calculer le champ électromagnétique arrivant dans le vide sur une cible et créé par la focalisation de faisceaux laser dans les configurations de type LMJ. Le second est le code PARAX qui résout la propagation d’un faisceau laser lissé dans un plasma sous-critique de fusion inertielle sous approximation paraxiale. Cette approximation est adaptée aux problèmes pour lesquels le vecteur d’onde laser et sa pulsation restent proches des vecteurs d’onde et pulsations initiales lors de la propagation.
Déroulement de la thèse :
Les codes LMJ_FOC et PARAX ont été utilisés depuis plusieurs années et ont donné lieu à de nombreuses publications. Ils pourront cependant être modifiés ou améliorés en fonction des nouvelles options de lissage étudiées. La première étape de la thèse portera sur ce travail numérique effectué en parallèle d’une recherche bibliographique sur la fusion par confinement inertiel. Le travail demandé consistera ainsi à adapter les codes LMJ_FOC et PARAX aux nouvelles options de lissage étudiées. Dans un deuxième temps, l’objectif principal consistera à comparer les différentes options envisageables pour améliorer le lissage sur le LMJ et à optimiser celles qui paraissent les plus prometteuses.
Directeur de thèse et école doctorale :
Guy BONNAUD – ED Onde et Matière (OM) – ED 572 – Université Paris-Saclay
Contact :
Gilles RIAZUELO – CEA/DIF – Bruyères-le-Châtel – 91297 Arpajon – 01 69 26 40 00