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Experiences à ultra-haut contraste et ultra-haute intensité

Experiences à ultra-haut contraste et ultra-haute intensité. Physics at igh ntensity. P.Monot.

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Experiences à ultra-haut contraste et ultra-haute intensité

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Presentation Transcript

  1. Experiences à ultra-haut contraste et ultra-haute intensité Physics at igh ntensity P.Monot T. Ceccotti, S. Dobosz, H. Lagadec, F. Quéré, H. George, M. Bougeard, G. Bonnaud, F. Réau, M. Lelek, P. D’Oliveira, C. Thaury, A. Levy, H. Popescu, A.André, A. Flacco, J. Robiche, Ph. Martin Coll. J-P. Geindre, P. Audebert, R. Marjoribanks, E. Lefebvre, R. Nuter, A. Andreev

  2. Solid target laser What appens when a short (<100 fs) ultra-intense laser (1018 to 1020 W/cm2) is focused onto a solid taget ? Notre préoccupation scientifique: réponse non linéaire de la matière soumise à des éclairements élevés ? • Notre programme scientifique • - Cibles solides: Génération d’harmoniques • Accélération d’ions • Diagnostics XUV • Cible gazeuses : accélération d’électrons (nouvelle activité) • en collaboration avec LULI, LOA, LPGP, ILIL…

  3. Où est la complexité ? ( Beaucoup de photons, beaucoup de matière, beaucoup de charge, pas d ’équilibre ) laser électrons ? cible temps -la matière devient rapidement un plasma dense (opaque) -le mouvement des électrons est relativiste, en 100 fs les ions ne bougent pas -les électrons sont forcés par le champ laser à rentrer dans la cible périodiquement -les électrons excitent des ondes plasmas dans la matière dense -la dynamique est subfemtoseconde (attoseconde<<< électronique)

  4. A young and unknown physicist dreaming about imaginative theories concerning general relativity Profil temporel réel A realistic but imperfect experimental facility to test general relativity Solid target Solid target laser 18 laser 10 16 10 Seuil de dommage 14 10 Intensity (W/cm2) Low density pre-plasma 12 10 Fluctuations tir à tir! 10 10 -50 0 50 100 Time (ps) Problème : confrontation laser idéal pour l’expérimentateur/ réalités technologiques  Un problème “universel”? Profil temporel idéal

  5. grating target laser low contrast high contrast Génération d’harmoniques?  La première signature de la réponse non-linéaire de la matière= hamoniques? Harmonic order 10 11 12 P.Monot et al, Optics Lett., 29, 893 (2004)

  6. 6 High contrast 5 FWD 4 3 Max Energy (MeV) 2 • Stronger electron confinement • Limited electrons dispersion 1 0 0.1 1 10 100 1000 Thickness (µm) A.J. Mackinnon et al., PRL 88, 215006-1 (2002) D. Neely et al., App. Phys. Lett. 89, 021502 (2006) Ions Rapides? Thickness , Emax Low contrast T. Ceccotti, Phys. Rev. Lett. 99, 185002 (2007)

  7. Real temporal profile 18 10 16 10 Seuil de dommage 14 Intensity (W/cm2) 10 12 10 10 10 -50 0 50 100 Time (ps) Le problème du profil temporel 2 problèmes: -Comment supprimer le piédestal -Comment la mesurer avec la dynamique nécessaire Profil temporel idéal

  8. Variable delay line 2w=delta fonction Principle: probe the temporal profile with a delta function Signal=3 Delta function=frequency doubling Frequency doubling Detector Frequency mixing Acquisition Development of 4 generations of high dynamic third order crosscorrelators

  9. Plasma creation ne>ncreflecting plasma The pedestal goes through the transparent medium BC 10 eV 1 eV BV Multiphotonic absorption or tunnel effect + avalanche BC BV Peut-on supprimer le piédestal?  oui! Miroirs Plasmas :commutateurs optiques ultra-rapides Transparent medium G. Doumy et al., Phys. Rev. E ,2004

  10. 0 10 -2 10 -4 10 Intesity (u. arb.) -6 10 Avec miroir plasma -8 10 10-10 -10 10 -12 10 gain104 -100 -60 -20 0 20 60 Time (ps) Profil temporel du laser UHI10 -saclay Everest Sans miroir plasma galet Seuil de dommage bactérie 10 ordres de grandeur! A. Lévy et al., Optics Letters 32, 310 (2007)

  11. Fast bwd electrons Fast fwd electrons Plasma wave excitation Rear face electrons  Reproductibleexperiments close to ideal andcomputableconditions Laser beam Numerical simulations of the electronic density dynamic vacuum target vacuum time

  12. I génération d’ Harmoniquesd’ordres élevés / solides II accélération d’ Ionspar un miroir plasma III Conclusion et perspectives

  13. Génération d’Harmoniquesd’ordres élevés sur cible solide -10TW Spectre contenant les multiples de la fréquence du laser 17 18 14 15 16 19 20 20 µJ ! 65 60 55 50 45 40 35 l (nm) Fastbwdelectrons Relativistic Oscillating Mirror Contact F. Quéré I=8.10 18 W/cm2 Nouvelle source UVX intense et ultra-brève

  14. Génération d’ harmoniques par cible solide E Modèle du miroir oscillant Faisceau laser 1-géneration d’un plasma à la densité critique  Milieu réfléchissant t 2-Champ électrique du laser: induit une oscillation de la surface critique réfléchissante Blue shift Red shift Effet Doppler oscillant ou Auto modulation de phase du faisceau laser

  15. Génération d’ harmoniques par cible solide Rayonnement cohérent : accès aux propriétés de phase Mesure de la dépendance de la phase par technique interférométrique I1 I2 >I1 Les harmoniques sont des sondes de la dynamique électronique ultra-rapide! Time (optical cycle) Temps d’émission=f(I) Thaury et al, Nature Physics, 10.1038/nphys986 (2008)

  16. -résultats préliminaires @ 100 TW

  17. Laser UHI100 in operation since mid 2009 100TW pulses t ≤ 25 fs, Contrast  1013 On target focal spot Intensity ~ 5 1019 W/cm2

  18. Bulk target 20 nm 100 nm 7 nm HHG @ 25 fs Contrast > 1012,ILaser=3x1019W/cm2 Relativistic CWE+Relativistic Very promising results ! – Harmonics are very sensitive to surface quality: 7nm foils remain « mirror like » : signature of an excellent contrast -Harmonic « probe » efficient in conditions relevant to fast ion emission

  19. I≈2.1020 W.cm-2 Dromey et al, PRL 99, 085001 (2007) Dromey et al, Nature Physics 2, 456 (2006)

  20. II accélération d’ions Contact : T. Ceccotti Fast bwd electrons Fast fwd electrons Plasma wave excitation vacuum target vacuum Rear face electrons time

  21. e- protons e- principe Choc électrostatique à la discontinuité de matière Effet  courant électronique;  épaisseur (cibles<1 µm donc très fragiles ! )  importance du contraste

  22. Accélération d’ions par miroir plasma 6 High contrast FWD H+ 5 4 3 Max Energy (MeV) - 2 Low contrast - + + - + 1 0 0.1 1 10 100 1000 Thickness (µm) Experiment on UHI10 Laser :mylar target, 45° incidence angle, p polarization TNSA S.C. Wilks et al., Phys. of Plasmas 8, 542 (2001) Forward H+ C6+ C5+ C4+ C3+ C2+ C+ Real time single shot ion detection T. Ceccotti, Phys. Rev. Lett. 99, 185002 (2007)

  23. Accélération d’ions par miroir plasma Experiment on UHI10 Laser :mylar target, 45° incidence angle, p polarization BWD H+ FWD H+ Forward Backward H+ C6+ C5+ C4+ C3+ C2+ C+

  24. - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + De l’oscillateur harmonique à la soupe

  25. accélération d’ions Résultats expériences @ Haut Contraste grille Cible: 1.5 µmCH cible RCF laser maillage = 500 µm maillage = 12,7 µm

  26. Amplitude Technologies CEA-Saclay LOA Dosisoft Propulse SAS Institut Curie Institut Gustave Roussy Centre de Proton-thérapie Orsay SAPHIR project application of energetic ionic sources to proton therapy 7 6 5 4 Max proton Energy (MeV) 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Laser Power (TW) IONS@ 25 fs, Semi-infinite Targets Contrast > 1012, ELaser0.85 J, ILaser=3 1019W/cm2 150 MeV BWD H+ 1PW De nouveaux régimes d’interaction ? Application en proton - thérapie ?

  27. Conclusion Interaction à ultra-haute contraste et ultra-haute Intensité Production de sources brillantes de particules et de lumière - L’étude des sources renseigne sur le scénario de l’interaction, sur la dynamique électronique aux échelles de temps les plus courtes (as) - Sources brillantes pour des applications ? (ICF, Hadrontherapy, imaging…) Perspectives : Interaction à 100TW ? -de nouveaux régimes d’accélérationd’ions ? – qqdizaines de MeV ?- applications ? -reconstitution de la dynamiqueattoseconde du mouvement des électrons -emission dans le domaine du keV ? -GeV electrons ? Maîtrise du contrastetemporelessentielle

  28. Collaborations E. Lefebvre, R. Nuter CEA/DAM France J.P. Geindre, J.R. Marques LULI France J. Faure, V. Malka Laboratoire d’Optique Appliquée France A. Giulietti, L. Gizzi, S. Betti ILIL Italy A. Andreev, Vavilov State Optical Institute Russia D. Giulietti INFN Italy J.Limpouch, O. Klimo FNSPE, Tech. University Czech Republic Anatoly, Tania Faenov JAEA Japon K.J.Boller,R. Loch LPNO- Twente University The Netherlands A. Macchi INFM Italy

  29. High Order Harmonic Generation from solid targets Coherent Wake Emission laser t1 t0 solid t3 t2 Emission from the excited plasma wave: cutoff = plasma frequency

  30. plasma g laser Protons Ions XUV Electrons Target Neutrons Avant d’utiliser ce type de laser: nécessité de gérer la sécurité-nouveau dans notre discilpline Would you risk the life of this young, unknown and promising physicist ? Accélération d’ions par miroir plasma Need to limit the exposure of workers to fast particle and secondary ionizing emission -Conception and validation of shielded experimental area -Safety protocol -Education of workers -Operational dosimetry 3 CEA units involved: SPAM, SPR(radioprotection unit), SENAC (nuclear expertise and conception)

  31. Compressor Experimental chamber Photon dose Experimental chamber wall 1 m mSv/pulse 1m concrete vacuum Concrete wall Air Neutron dose Experimental chamber wall mSv/pulse vacuum Concrete wall Air The Saclay UHI experimental area Operation agreement with respect to detailed calculations and “daily” dosimetry calculations Dedicated Automate for Safety management « daily » dosimetric measurement 6.3mSv RPL 1.6mSV FLI 3mSv RPL 1.2mSV FLI 14mSv RPL 5mSV FLI 99µSv RPL 63µSV FLI 5mSv RPL 1.8mSV FLI 1 2 3 4 11 5 8 6 3mSv RPL 1mSV FLI 12 7 10 9 2mSv RPL 0.7SV FLI 90µSv RPL 55µSV FLI 132µSv RPL 258µSV FLI 1.2mSv RPL 0.4mSV FLI 77µSv RPL 55µSV FLI 10mSv RPL 4mSV FLI 14 13 0µSv RPL 0µSV FLI 85µSv RPL 57µSV FLI Typically measured dose=1/4 calculated dose (overestimation of source term for safety)

  32. What about the temporalcontrast ? 5x1019 5x1018 18 10 UHI10DPM 16 10 UHI100 UHI100 DPM (estimated) 14 10 Intensity (W/cm2) 12 10 Dammage threshold 10 10 3ps 0 -3ps Time (ps) Expected contrast over the dynamic of today’s correlators

  33. Ionic acceleration from thin foils @ 10 TW, 60 fs BWD FWD 0.45 MeV E E - - + + - - - - + + + - - - + - + + - - - - + + - - - - - - - - - - - - 1.9 MeV TNSA valid for both sides divergence and flux SYMMETRY of the acceleration ! Radiochromic Films measurements

  34. Génération d’Harmoniquesd’ordres élevés sur cible solide -10TW Fastfwdelectrons Plasma wave excitation Contact F. Quéré 2 mécanismes de génération Emitted electromagnetic field Fastbwdelectrons

  35. Génération d’ harmoniques par cible solide Fast fwd electrons 2) Coherent Wake Emission I=8.10 18 W/cm2 Relativistic threshold = 5.1018 W/cm2 Cutoff w=wp, n=15 I=3.10 18 W/cm2 Plasma wave excitation

  36. DPM Non Linear Filtering with a DPM compression chamber experimental chamber

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