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Étude expérimentale de l’émission X issue de l'interaction laser-agrégats

Étude expérimentale de l’émission X issue de l'interaction laser-agrégats. Tony CAILLAUD. CEntre de Lasers Intenses et Applications, UMR 5107, TALENCE. agrégat de gaz rare. t  fs. Cadre de l’étude. Physique fondamentale de l’interaction laser-agrégats. Impulsion laser intense

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Étude expérimentale de l’émission X issue de l'interaction laser-agrégats

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  1. Étude expérimentale de l’émission X issue de l'interaction laser-agrégats Tony CAILLAUD CEntre de Lasers Intenses et Applications, UMR 5107, TALENCE

  2. agrégat de gaz rare t  fs Cadre de l’étude • Physique fondamentale de l’interaction laser-agrégats Impulsion laser intense (Ilaser  1014-1017 W.cm-2) ? + = Rag  qqs nm Rag << longueur d'onde laser << rayon de focalisation 1 fs = 10-15 s 1 nm = 10-9 m

  3. Historique et intérêt 1994 : Observation de rayonnement X ou XUV [1], [2] 1996 : Observation d'ions multi-chargés, d'électrons [3], [4] 1999 : Observation de neutrons issus de réaction de fusion [5] [1] McPherson et al. PRL 72 (1994), 1810 [2] Ditmire et al. PRL 75 (1995), 3122 [3] Shao et al. PRL 77 (1996), 3343 [4] Lezius et al. PRL 80 (1998), 261 [5] Ditmire et al. Nature 398 (1999), 489

  4. Historique et intérêt 1994 : Observation de rayonnement X ou XUV [1], [2] • Génération de nouvelles sources X ultra-brèves et intenses • Applications potentielles à l’étude de la dynamique de structures ultra-rapides [1] McPherson et al. PRL 72 (1994), 1810 [2] Ditmire et al. PRL 75 (1995), 3122 [3] Shao et al. PRL 77 (1996), 3343 [4] Lezius et al. PRL 80 (1998), 261 [5] Ditmire et al. Nature 398 (1999), 489

  5. h h h Laser Laser Laser h h h h plasma Milieu intermédiaire Gaz Solide Agrégats débris

  6. Intérêt des cibles d'agrégats Agrégats h h Laser Jet d'agrégats h plasma Attentes - Forte absorption - Interaction en volume - Peu de pertes par conduction thermique Rendement élevé dans les X (jusqu'à qq keV) Avantages - Cible renouvelable - Peu de débris Adaptée à la haute cadence En régime fs ou ps, on espère émissionultra-brève (fs ou ps)

  7. Domaine relativement récent Modèles existants incomplets et discutés Étudier les propriétés du rayonnement X Nécessité de fournir des données expérimentales exploitables pour les modèles Déterminer les mécanismes fondamentaux Aspect source X  faisabilité, contrôle et optimisation d'une source X multi-keV et ultra-brève Objectifs de l’étude

  8. Plan de l'exposé • Mécanismes de l'interaction laser-agrégats • Dispositif expérimental • Étude de la propagation dans le jet • Dynamique de l'interaction • Modélisation de l'interaction et de la dynamique de l'émission X • Conclusions et Perspectives

  9. Conclusion Perspectives Dispositif Propagation Dynamique Modélisation Introduction Mécanismes Mécanismes de l'interaction laser-agrégats

  10. Conclusion Perspectives Dispositif Propagation Dynamique Modélisation Introduction Mécanismes Modèles existants • Modèle CEMM (1994) [6] • électrons cohérents • durée émission X  durée laser • petits agrégats (<1000 at/ag) Oscillations dans le champ laser du nuage électronique de masse N.me • Modèles collisionnels • Ditmire (1996) : modèle "nano-plasma" [7] • agrégat = bille de plasma uniforme • Milchberg (2001) [8] • modèle 1D [8] Milchberg et al. PRE 64 (2001), 056402 [6] Boyer et al. J. Phys. B 27 (1994), L633 [7] Ditmire et al. PRA 53 (1996), 3379

  11. Hypothèses du modèle Mécanismes Conclusion Perspectives Dispositif Propagation Dynamique Modélisation Introduction Mécanismes Modèle "nanoplasma" • bille 0D (ne(t),Te(t),Rag(t)) • thermalisation instantanée • Rag<<  • dans le champ : ionisation • collisionnels : • absorption • ionisation • expansion de l'agrégat • pression hydrodynamique • pression coulombienne

  12. Rayon (Å) Intensité (W.cm-2) Temp. électr. (eV) ne//nc Temps (fs) Temps (fs) et Conclusion Perspectives Dispositif Propagation Dynamique Modélisation Introduction Mécanismes Modèle "nanoplasma" Exemple de simulation Rag= 30 Å, tlaser = 140 fs, Imax=2.1016 W.cm-2 Résonance du champ dans l'agrégat pour ne = 3nctres 10fs

  13. Conclusion Perspectives Dispositif Propagation Dynamique Modélisation Introduction Mécanismes Limites du modèle nanoplasma • Suppose une thermalisation permanente et instantanée des électrons (te-e 1 ps) • Résonance liée à l'hypothèse de densité uniforme • Résonance géante, mécanisme d'amortissement discuté [9] [9] Megi et al. J. Phys. B 27 (2003), 273

  14. Absorption (u.a.) Intensité (u.a.) Temps (fs) ne ne ne nc nc Rag Rag Rag Conclusion Perspectives Dispositif Propagation Dynamique Modélisation Introduction Mécanismes Modèle 1D • Absorption • résonante à nc • À chaque instant, •  une couche à nc • Chauffage plus • faible mais délayé • dans le temps • (qqs 100 fs)

  15. transitions radiatives collisions L K Conclusion Perspectives Dispositif Propagation Dynamique Modélisation Introduction Mécanismes Émission X Peu de modèle pour reconstruire l'émission X  lacunes en couche profonde  émission X électrons énergétiques Choix de l'Argon Ex : Ar16+

  16. transitions radiatives collisions L K Conclusion Perspectives Dispositif Propagation Dynamique Modélisation Introduction Mécanismes Émission X Peu de modèle pour reconstruire l'émission X  lacunes en couche profonde  émission X électrons énergétiques Choix de l'Argon Ex : Ar16+ He1 Émission X = diagnostic : - état de charge …

  17. Conclusion Perspectives Mécanismes Propagation Dynamique Modélisation Introduction Dispositif Dispositifexpérimental

  18. 3 paramètres : ntot densité totale  taux de condensation Rag rayon moyen des agrégats Conclusion Perspectives Mécanismes Propagation Dynamique Modélisation Introduction Dispositif Production d'agrégats de gaz rare Argon @ 20, 40 ou 60 bars Buse conique Jet d'agrégats pulsé Laser

  19. Interférométrie (ntot) Diffusion Rayleigh (Rag x ) Calcul 2D () Argon 60 bars Conclusion Perspectives Mécanismes Propagation Dynamique Modélisation Introduction Dispositif Propriétés du jet d'agrégats • Profil de densité • homogène • Rag  180 Å à 20 bars • Rag  275 Å à 40 bars • Rag  350 Å à 60 bars • = 25 % Distance ag-ag  1µm [10] Dorchies et al. Phys. Rev. A 68 (2003), 023201

  20. 1.5 mm Laser Dispositif expérimental Caméra CCD d'ombroscopie Caméra CCD X Imagerie Pinhole (f# = 10) Cristal de Mica sphérique Laser Ti:Saphir@1kHz 5 mJ, 30 fs Faisceau laser doublé + ligne à retard Sphère diffusante Lentille de focalisation (f# = 4)

  21. Conclusion Perspectives Mécanismes Propagation Dynamique Modélisation Introduction Dispositif Propriétés spectrales • Présence d'Ar16+ avec seulement 1015 W.cm-2 • Rayonnement isotrope • 108 ph/tir • Rendement de conversion autour de 3 keV : 10-5 Spectre de couche K de l'Argon obtenu à 60 bars pour une énergie laser incidente de 5 mJ Résultats similaires Rozet et al. Phys. Script. T 92 (2001), 113

  22. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Dynamique Modélisation Introduction Propagation Étude de la propagation dans le jet

  23. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Dynamique Modélisation Introduction Propagation Influence de la focalisation dans le jet Focalisation devant le jet Focalisation en bord du jet Focalisation dans le jet Optimum d'émission X en bord du jet  Effet du jet dense sur la propagation

  24. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Dynamique Modélisation Introduction Propagation Contexte plus général • Effets attendus dans l'interaction laser/gaz ionisé : • à haut flux (I >1018 W.cm-2)  auto-focalisation • à bas flux  réfraction auto-induite par le plasma • Jet = gaz + agrégats 75 % de gaz résiduel !

  25. Au début de l'interaction (ne/ag>> nc) • Contribution du gaz résiduel • Défocalisante • Contribution des agrégats • Focalisante L'effet du gaz résiduel ionisé domine la propagation et réfracte le faisceau laser ? Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Dynamique Modélisation Introduction Propagation Propagation dans le jet • Propagation liée à la susceptibilité  • milieu = gaz ionisé + ensemble d'agrégats ionisés = 0.75 < 10-3

  26. Utilisation du code WAKE 2D [11] Sans gaz Rayon 10 0 Z/ZR Avec gaz Rayon 0 10 Z/ZR Calcul de la réfraction dans le gaz • Hypothèses du calcul • gaz seul • calcul de l'ionisation et de la propagation • Diminution de Imax • Recul du foyer [11] Mora et al. Phys. Fluids B 5 (1993), 1440 tlaser= 500 fs tlaser= 500 fs, Ntot= 1.2x1019at.cm-3

  27. Laser focalisation devant le jet tlaser= 500 fs, Ntot= 4.5x1018at.cm-3 Bord du jet Laser focalisation en bord du jet Laser focalisation dans le jet focalisation loin dans le jet Laser Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Dynamique Modélisation Introduction Propagation Déplacement du foyer

  28. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Dynamique Modélisation Introduction Propagation Conclusion • Contribution défocalisante du gaz ionisé • Contribution focalisante de l'ensemble des agrégats ionisés • Effet dominant du gaz  optimum d'émission X en focalisant en bord de jet • Limite Imax d'un facteur 5 à 10

  29. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Modélisation Introduction Dynamique Dynamique de l'interaction Étude expérimentale

  30. texp Densité électronique Temps texp Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Modélisation Introduction Dynamique Effet de la durée de l’impulsion[12] ne = 3 nc Il faut attendre une certaine densité pour obtenir un chauffage optimal de l'agrégat [12] Caillaud et al. Nucl. Instr. Méth. B 206 (2003), 329 [13] Zweiback et al. Phys. Rev. A 59 (1999), R3166

  31. Impulsions de 45 fs tres= ? ne = 3 nc Temps Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Modélisation Introduction Dynamique Expériences à deux impulsions texp1  45050 fs texp2  750250 fs texp3  950250 fs Délai variable La vitesse d'expansion dépend de l'énergie déposée initialement dans l'agrégat

  32. Émission X optimale pour une durée laser donnée Optimum fonction de la taille des agrégats Temps caractéristiques : expansion ( 1 ps) absorption (qqs 100 fs) Absorption sur un temps long : Modèle 0D (tres 10 fs) Modèle 1D (tres qqs 100 fs) Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Modélisation Introduction Dynamique Conclusion  Plus réaliste

  33. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Dynamique Introduction Modélisation Modélisation de la dynamique de l'émission X

  34. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Dynamique Introduction Modélisation Objectif Modéliser les spectres X et la dynamique de l'émission

  35. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Dynamique Introduction Modélisation Méthode Mesure de l'énergie déposée dans l'agrégat Modèle nanoplasma ne(t), Te(t) Temps de dépôt de cette énergie Code TRANSPEC [14] Modéliser les spectres X et la dynamique de l'émission [14] PeyrussePhys. Fluids B 4 (1992), 7

  36. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Dynamique Introduction Modélisation Méthode Mesure de l'énergie déposée dans l'agrégat Modèle nanoplasma ne(t), Te(t) Simuler l'expansion hydrodynamique ne(t),Te(t) Temps de dépôt de cette énergie Code TRANSPEC [14] Modéliser les spectres X et la dynamique de l'émission [14] PeyrussePhys. Fluids B 4 (1992), 7

  37. Durée d'émission X très courtes Calculée (500 100) fs Mesurée : (2.50.5) ps Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Dynamique Introduction Modélisation Mesures de durée X Edep=1500 eV/e-tdep=250 fs [15] Dorchies et al. Proc. of the 48th SPIE 5196 (2004), 319

  38. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Dynamique Modélisation Introduction Conclusion générale • Sur le plan de la physique • Bonne connaissance de la cible (Rag, nag) • Jet dense  réfraction • (Imax limité à 1016 W.cm-2) • États de charge très élevés (Ar16+) • Détermination des échelles de temps • expansion ( ps) • absorption ( 100 fs)

  39. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Dynamique Modélisation Introduction Conclusion générale • Source multi-keV intense (3keV) • Rayonnement isotrope • 108 ph/tir • Rendement X élevé 10-5 (avec seulement qqs mJ laser) • Émission X ultra-brève < (2.5 0.5) ps

  40. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Dynamique Modélisation Introduction Perspectives • Jet continu pour applications potentielles • Développement de modèle (S. Micheau) • Expliquer l'ionisation • Reconstruire l'émission X • Réponse d'un agrégat unique • S'affranchir de l'intégration spatiale sur le volume • Résoudre spatialement le spectre • Résolution temporelle du spectre (C. Bonté)

  41. GPS de Jussieu (E. Lamour, C. Prigent, J.P. Rozet, D. Vernhet) CPTH de Palaiseau (P. Mora : code WAKE) VNIIFTRI de Moscou (Y. A. Faenov, T. A. Pikuz, A.I. Magunov, I.Y. Skobelev) Institut de Modélisation Mathématique de Moscou (A. S. Boldarev, V. A. Gasilov) LLNL de Los Alamos (J. Abdallah, G.C. Junkel-Vives) CELIA (F. Blasco, F. Dorchies, C. Bonté, O. Peyrusse : code TRANSPEC et tout le personnel du laboratoire) Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Dynamique Modélisation Introduction Collaborations

  42. +Ze K L M +Ze K L M … … +Ze Elibre Elibre Elibre’ … … Elié Elié Elié’ … … hu= Elibre - Elié hu= Elibre - Elibre’ hu= Elié - Elié’ Capture radiative Bremmstrahlung Désexcitation radiative

  43. Effet de seuil autour de 1014 W.cm-2 Temps de vie de l'agrégat < 4 ns Influence du contraste ns Probabilité d'ioniser de ArAr+ comprise entre 10 et 90 % (calcul ADK) Impulsion principale d'intensité I Pré-impulsion d'intensité C x I 4 ns

  44. Z = 1.6 mm Rayon 0 10 Z/ZR bord du jet

  45. 2° Partie 3° Partie 4 °Partie Conclusions Perspectives Introduction 1° Partie Effets de la durée de l’impulsion • Émission X optimale pour une durée laser donnée • Pas d'effet de chirp

  46. centre du jet foyer sous vide t = 10 ps Laser t = 1.1 ns t = 6.3 ns t = 10 ns 2.3 mm 5.9 mm Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Dynamique Introduction Modélisation Ombroscopie • Calcul du dépôt linéique à partir de l'évolution du rayon du plasma [12] [ 12] Zweiback etal. Phys. of Plasmas vol. 9 (2001), 3108

  47. Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Dynamique Introduction Modélisation Calcul du dépôt d’énergie El = (2.7  0.5) mJ.mm-1 r0 (30  8) µm (55  15) % de l'énergie totale

  48. Modèle d'expansion de Haught & Polk [13] Hypothèses : Densité uniforme PCb << Phydro Énergie déposée dans les électrons instantanément thermalisés Rag(t) Te(t) et ne(t) Conclusion Perspectives Mécanismes Dispositif Propagation Dynamique Introduction Modélisation Modèle d’expansion hydrodynamique [13] Haught et al. Phys. Fluids 13 (1970), 273

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