L'allumage par choc est une approche récente à la fusion par confinement inertiel où les phases de compression et d'allumage par un choc fort sont séparées. Ce schéma est prometteur dans la mesure où il peut générer des gains élevés et être testée sur des installations laser existantes. Par ailleurs, il nécessite des vitesses d'implosions plus faibles permettant ainsi de comprimer une plus grande quantité de combustible et limitant l'impact des instabilités hydrodynamiques. Malgré tout, la physique liée à cette approche reste très largement inconnue surtout du point de vue expérimental. En effet, même si la phase de compression est dans un régime dit collisionnel bien connu (I<1014W=cm2), l'allumage fait intervenir un spike d'une intensité supérieure à 1015W=cm2, régime très fortement non-linéaire où apparaissent des instabilités paramétriques. Ces instabilités peuvent diminuer l'absorption et générer des électrons suprathermiques pouvant préchauffer le coeur de la cible et donc empêcher son allumage. Un deuxième problème est la possibilité de générer un choc fort en présence d'un plasma de couronne qui pourrait, entrer autre, détériorer le couplage laser-cible. Néanmoins, des considérations théoriques tendent à montrer que si on génère des électrons chauds modérément énergétiques (<100keV), non seulement ils ne sont pas dangereux vis-à-vis du préchauffage mais, en plus, ils peuvent améliorer le couplage en déposant leur énergie dans le front de choc et amplifier sa pression. Le travail réalisé dans cette thèse consiste à tester la possibilité de générer un choc fort dans les conditions de l'allumage par choc i.e. en présence d'un plasma de couronne mais aussi d'étudier l'effet des électrons chauds sur le choc en quantifiant leur énergie et leur abondance. / Shock ignition is a novel approach for inertial confinement fusion where the compression and the ignition phases by a strong shock are separated. The scheme is promising to the extent that it can generate very high gains and can be tested on already existing lasers systems. In addition, this concept requires lower implosion velocities that allows for compressing more massive targets which limits the impact of hydrodynamic instabilities. However, the physic issues related to shock ignition are still largely unexplored especially experimentally. Indeed, even if the compression phase takes place in the well-known collisional regime (I<1014W=cm2), ignition requires a spike which intensity exceeds 1015W=cm2.This regime is strongly non-linear with the onset of parametric instabilities. These instabilities may decrease the absorption and can also generate suprathermal electrons that can preheat the central part of the fuel and make the compression less efficient. Another key issue is the capability of launching a strong shock in presence of a plasma corona which can deteriorate the laser-target coupling and produce lamentation. Nevertheless, theoretical considerations tend to show that if the energy of fast electrons is moderate (<100keV), they could improve the coupling, deposit their energy in the shock front and hence amplify it. The work presented in this thesis consists in testing these two issues : launching a strong shock in the conditions corresponding to shock ignition i.e. in presence of a plasma corona and study the effect of hot electrons on the shock strength by measuring their energy and their quantity.

Le schéma d'allumage par choc est une approche prometteuse pour obtenir de l'énergie à grande échelle. Cependant, ce schéma requière des pressions d'ablation laser de l'ordre de 300-400 Mbar pour atteindre l'allumage. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre la physique sous-jacente de la génération de ces pressions très élevées par les mécanismes du transport de l'énergie par les électrons énergétiques dans un régime d'intensité laser entre un et dix petawatt par cm2. Au cours de cette thèse il a été établi un modèle permettant de calculer la pression du choc induit par les électrons chauds et le temps de sa formation pour une distribution en énergie d'électrons et un profil de densité de plasma arbitraire. Nous montrons que la distribution en énergie d'électrons plus étendue conduit à un dépôt en énergie plus homogène ce qui implique un temps de formation du choc plus long et une diminution de la force du choc. Ces conséquences sont à prendre en compte pour le design des cibles pour l'allumage par choc. L'extension de ce modèle au cas d'un plasma inhomogène montre que la couronne de faible densité diminue l'énergie des électrons rapides et donc la quantité d'énergie déposée dans la cible comprimée. Ceci conduit à une réduction du temps nécessaire à la formation du choc, de la pression du choc et de l'efficacité de la conversion de l'énergie des électrons vers l'onde de choc. Ce modèle théorique nous permet d'interpréter l'expérience de la génération d'un choc sphérique sur l'installation laser OMEGA. Grâce à la comparaison des simulations numériques d'un tir représentatif aux résultats expérimentaux nous avons caractérisé la source d'électrons ainsi que la pression et la dynamique du choc. Enfin, nous proposons un design préliminaire de l'expérience sur le rôle des électrons chauds dans la création d'un choc plan sur l'installation LMJ-PETAL. / The Shock Ignition (SI) scheme is a promising approach to obtaining energy on alarge scale. However, this scheme needs ablation pressures in the range of 300-400Mbar to reach ignition. The objective of this thesis is therefore to better understandthe underlying physics of high pressure generation by energetic electrons in a regimeof intensity between one and ten petawatt per cm2. In this thesis, a model hasbeen established for calculating the shock pressure generated by hot electrons andthe time of its formation for an arbitrary electron energy distribution and plasmadensity profile. It is shown that a broader electron energy distribution leads to amore homogeneous energy deposition which implies a longer shock time formationand a reduction of the shock strength. These consequences should be taken intoaccount in shock ignition target design. The extension of this model to the case ofa inhomogeneous plasma shows that the low density corona decreases fast electrons energy and then the amount of energy deposited in the compressed target. This leads to a reduction of the time needed for the shock formation, of the shock pressure and the energy invested in the shock. This theoretical model allows us to interpret the experiment performed in spherical geometry on the OMEGA laser facility. The comparison between numerical simulations and experimental results allow us to characterize the electron source as well as shock pressure and dynamic. Finally, we propose a preliminary design of an experiment to explore the hot electron role in shock generation in planar geometry on the LMJ-PETAL laser facility.

Two rich and vibrant fields of investigation - graphene and plasmonics - strongly overlap in this work, giving rise to a novel hybrid photodetection device. The intrinsic photoresponse of graphene is significantly enhanced by placing the gold nanorods exhibiting unique anisotropic localized surface plasmon resonances on the graphene surface. The reported enhanced photoresponse of graphene is caused by the redistribution of localized surface plasmons in the nanoparticles into graphene. The exact underlying energy redistribution mechanism is thoroughly studied by a single particle scattering spectroscopy monitoring the particle plasmon linewidth as a function of the number of underlaying graphene layers. The obtained extraordinary plasmon broadening for nanoparticles placed on graphene suggests the contribution of a novel energy redistribution channel attributed to the injection of hot electrons from gold nanorods into graphene.

Plazmonika, tedy vědní obor zabývající se interakcí světla s kovovými materiály, nabízí ve spojení s nanotechnologiemi nezvyklé možnosti, jak světlo ovládat a využívat. Výsledkem tohoto spojení může být například zaostřování světla pod difrakční limit, zesilování emise nebo absorbce kvantových zářičů, či extrémně citlivá detekce molekul. Tato práce se zabývá zejména možnostmi využití plazmoniky pro vývoj plošných optických prvků, tzv. metapovrchů, a pro fotokatalytické aplikace založené na plazmonicky generovaných elektronech s vysokou energií, tzv. horkých elektronech. Nejprve jsou vysvětleny teoretické základy plazmoniky a je poskytnut přehled jejích nejvýznamnějších aplikací. Poté jsou představeny tři studie zabývající se využitím plazmonických nanostruktur pro ovládání fáze a polarizace světla, pro vytváření dynamicky laditelných metapovrchů, a pro foto-elektrochemii s horkými elektrony. Společným prvkem těchto studií je pak používání pokročilých, resp. v rámci těchto oblastí netradičních, materiálů, jako např. oxidu vanadičitého nebo dichalkogenidů přechodných kovů.

Ce manuscrit présente une nouvelle formulation de l’Interaction Laser-Plasma (ILP) à l’échelle hydrodynamique, qui couple la dynamique du plasma avec les processus d’ILP linéaires et non-linéaires. Le modèle standard du tracé de rayon (Ray-Tracing), basé sur l’Optique Géométrique, est peu adapté pour modéliser l’ILP non-linéaire car la distribution de l’intensité laser dans le plasma n’est pas directement disponible. Nous proposons un modèle alternatif spécifiquement formulé pour un code hydrodynamique Lagrangien, basé sur l’Optique Géométrique Complexe Paraxiale qui décrit la propagation de faisceaux Gaussiens. Cette méthode est ensuite adaptée à la description de faisceaux laser non Gaussiens, et permet de reproduire la statistique d’intensité, l’enveloppe et le contraste de faisceaux lissés par une Lame de Phase. Nous proposons des modèles en ligne pour décrire l’échange d’énergie entre faisceaux croisés (CBET) et la génération d’électrons rapides par l’ILP non-linéaire, en utilisant PCGO. Le modèle en ligne de CBET est validé par comparaison avec un code de propagation d’une onde électromagnétique paraxial conventionnel dans le cas d’un plasma inhomogène en vitesse. Un bon accord est trouvé après une période transitoire de l’ordre de la picoseconde, notamment en ce qui concerne la distribution spatiale de l’intensité laser et des perturbations de densité du plasma. Ce modèle appliqué à une configuration d’attaque directe de Fusion par Confinement Inertiel (FCI) montre que le CBET réduit le couplage laser-cible, réduit le facteur de convergence, et amplifie les modes basse fréquence de déformation de la capsule. Le modèle de génération d’électrons rapides par l’ILP non-linéaire modélise les propriétés des faisceaux d’électrons rapides, i.e. leur flux, énergie moyenne, dispersions angulaire et direction, à partir de l’intensité laser prédite par PCGO et à partir d’expressions simplifiées, basées sur des modèles théoriques et des lois d’échelles obtenues à l’aide de simulations cinétiques. La propagation et le dépôt d’énergie par les électrons rapides est décrite à partir d’une approximation de diffusion angulaire adaptée en deux dimensions, pour des faisceaux de profil transverse d’intensité Gaussien, de distribution d’énergie exponentielle et d’ouverture angulaire arbitraire. Ce modèle couplé rend compte de (i) la compétition pour l’énergie laser entre les différentes instabilités et avec l’absorption collisionnelle, (ii) le couplage entre l’ILP non-linéaire et la dynamique du plasma à travers les faisceaux d’électrons rapides, et(iii) la perte de couplage laser-plasma due à la diffusion Raman arrière. Les performances de ce modèle sont évaluées par comparaisons avec des expériences d’allumage par choc conduites sur les installations laser Omega et Pals. Ce modèle multi-échelle est ensuite utilisé pour interpréter plusieurs expériences. On trouve notamment que les électrons générés par l’ILP non-linéaire augmentent la vitesse du choc et la pression en aval de ce dernier, tout en réduisant sa force et la pression d’ablation. Une application à la phase fortement non-linéaire de l’allumage par choc en FCI suggère que ces électrons sont néfastes pour l’implosion de la capsule en ce qui concerne les cibles conventionnelles : ceux-ci causent une augmentation de la masse du point chaud et des pertes radiatives. Ce modèle peut être appliqué à la modélisation hydrodynamique des expériences laser-cible de physique des hautes densités d’énergie pour les régimes d’interaction pertinents pour les instabilités évoquées ci dessus. / This manuscript presents a novel formulation of the Laser-Plasma Interaction (LPI) at hydrodynamical scales, that couples the plasma dynamics with linear and nonlinear LPI processes. The standard Ray Tracing model, based on Geometrical Optics, is not well suited for that purpose because it does not readily describe the laser intensity distribution in plasma. We propose an alternative model formulated for a Lagrangian hydrodynamic code. It is based on the ray-based Paraxial Complex Geometrical Optics (PCGO) that describes Gaussian optical beamlets. A method for modeling non-Gaussian laser beams smoothed by Phase Plates is presented, that allows to create intensity variations that reproduce the beam envelope, contrast and high-intensity statistics predicted by paraxial laser propagation codes. We propose inline reduced models for the non-linear laser-plasma interaction, in the case of the Cross-Beam Energy Transfer (CBET) and the generation of Hot Electrons (HE). The inline CBET model is validated against a time-dependent conventional paraxial electromagnetic wave propagation code, in a well-defined plasma configuration with density and velocity profiles corresponding to an inhomogeneous plasma. Good agreement is found past a transient period on the picosecond time scale, notably for the spatial distribution of density perturbations and laser intensities in the interaction region. Application of the model to a direct-drive Inertial Confinement Fusion (ICF) configuration shows that CBET significantly degrades the irradiation symmetry by amplifying low frequency modes and reducing the laser-capsule coupling efficiency, ultimately leading to large modulations of the shell areal density and lower convergence ratios. The LPI/HE model predicts the HE fluxes, temperatures, angular dispersion and direction from the laser intensity of PCGO beamlets from simplified expressions based on theoretical models and scaling laws obtained in kinetic simulations. The HE beams propagation and energy deposition in plasma is described in the angular scattering approximation, adapted to two-dimensional, transversally Gaussian, multigroup HE beams of arbitrary angular distribution. This model accounts for (i) competition for the laser energy between the various instabilities and with the linear collisional absorption, (ii) coupling between nonlinear LPIs and plasma dynamics via the high energy electron beams and(iii) loss of coupling due to backscattered Raman light. Its performance is confirmed by comparison with measurements of shock timing, laser absorption, HE fluxes and temperatures in experiments conducted on Omega and Pals laser facilities. This multiscale inline LPI-HE model is used to interpret several Shock Ignition experiments. It is found that HEs from parametric instabilities significantly increase the shock pressure and velocity in the target, while decreasing its strength and the overall ablation pressure. Applications to the high-intensity regime of shock ignition ICF suggest that HEs generated by the nonlinear LPI are nefarious to the capsule implosion in conventional target designs, as they lead to a dramatic increase in the hotspot mass and losses by Bremsstrahlung radiation. This model is readily applicable to hydrodynamic description of laser-target experiments of High Energy Density Physics, in the interaction regimes involving the above-mentioned non-linear LPI processes.

Ce travail est consacré à l’étude de la dynamique ultrarapide d’électrons chauds photo-excité dans des structures plasmonique. L’intérêt particulier de ce domaine réside dans le fait que les SPs, en raison de leurs caractéristiques spatio-temporelles spécifique, offrent un nouvel attrait technologique pour les processus de transport d’information ultra-rapide aux nano-échelles. Dans ce contexte, ce manuscrit offre une compréhension et une exploitation de l’une des principales limitations des technologies à base de SP : les pertes par effet Joule. Nous exploitons le fait que le mécanisme d’absorption des plasmons dans les métaux est suivi par la génération d’électrons chauds à l’échelle femtoseconde, ainsi les pertes peuvent être considrées comme une conversion d’énergie plasmon-électrons chauds. Cette conversion d’énergie est mesurée à l’aide d’une technique pompe-sonde laser femtoseconde. Nous lançons des impulsions SP que nous sondons sur des centaines de femtosecondes grace aux variations de permittivité diélectrique induites par le gaz d’électrons chaud accompagnant la propagation de SP. Le profil de température électronique est par conséquent une image de la distribution de densité de puissance de plasmon (absorption) non élargi spatialement et temporellement par diffusion de porteurs d’énergie. Nous avons pu démontrer la capacité de relier la mesure de température électronique à l’absorption du SP, révélant une absorption anormale autour d’une fente nanométrique. Les résultats expérimentaux sont en accord quantitatif avec les prédictions théoriques de la distribution de densité de puissance. Dans une seconde partie, nous avons étudié les pertes plasmoniques et leurs caractéristiques lors de sa propagation sur un film métallique semi-infini. Nous avons déterminé la vitesse de l’onde thermique électronique et son atténuation. Dans la dernière partie, nous utilisons une structure en pointe pour guider adiabatiquement et focaliser le plasmon à l’extrémité. Nous avons démontré ainsi la génération d’un point chaud nanométrique et avons mis en évidence un retard dans l’échauffement des électrons à l’extrémité de la pointe. Les perspectives et les questions ouvertes sont également discutées. / In this work we explored the ultrafast dynamics of photo-excited hot electrons in plasmonic structures. The particular interest of this field resides on the fact surface plasmons (SP), because of their unrivaled temporal and spatial characteristics, provide a technological route for ultrafast information processes at the nanoscale. In this context, this manuscript provides a comprehension and the harnessing of one of the major limitation of the SP-based technologies : absorption losses by Joule heating. We exploit the fact that the mechanism of plasmon absorption in metals is followed by generation of hot electrons at femtosecond time scale, thus losses can be seen as a plasmon-to-hot-electron energy conversion. This energy conversion is measured with femtosecond pump-probe technique. Femtosecond SP pulses are launched and probed over hundred femtoseconds through the permittivity variations induced by the hot-electron gas and which accompany the SP propagation. The measured electron temperature profile is therefore an image of plasmon power density distribution (absorption) not broadened spatially and temporally by energy carrier diffusion. As an important result we demonstrated the capability to link the electronic temperature measurement to the plasmonic absorption, revealing an anomalous light absorption for a sub- slit surroundings, in quantitative agreement with predictions of the power density distribution. In a second part we studied plasmon losses and their characteristics when they propagate on semi-infinite metal film. We determined the electronic thermal wave velocity and damping. In the last part we used a focusing taper-structure to adiabatically guide and focus the plasmon at the apex. Was demonstrated the generation of a nanoscale hot spot and put in evidence a delayed electron heating at the taper apex. Perspectives and the remaining open questions are also discussed.

Le schéma d'allumage par choc pour la fusion par confinement inertiel utilise une impulsion laser intense à la fin d'une phase d'assemblage de combustible. Les paramètres clefs de ce schéma sont la génération d'une haute pression d'ablation, l'amplification de la pression du choc généré par un facteur supérieur à cent et le couplage du choc avec le point chaud de la cible. Dans cette thèse, de nouveaux modèles semi-analytiques sont développés afin de décrire le choc d'allumage depuis sa génération jusqu'à l'allumage du combustible. Tout d'abord, un choc sphérique convergent dans le coeur pré-chauffé de la cible est décrit. Le modèle est obtenu par perturbation de la solution auto-semblable de Guderley en tenant compte du nombre de Mach du choc élevé mais fini. La correction d'ordre un tient compte de l'effet de la force du choc. Un critère d'allumage analytique est exprimé en fonction de la densité surfacique du point chaud et de la pression du choc d'allumage. Le seuil d'allumage est plus élevé pour un nombre de Mach faible. Il est montré que la pression minimale du choc, lorsqu'il entre dans le coeur de la cible, est de 20Gbar. La dynamique du choc dans la coquille en implosion est ensuite analysée. Le choc se propage dans un milieu non inertiel avec un fort gradient de pression et une augmentation temporelle générale de la pression. La pression du choc est amplifiée plus encore durant la collision avec une onde de choc divergente provenant de la phase d'assemblage. Les modèles analytiques développés permettent une description de la pression et de la force du choc dans une simulation typique de l'allumage par choc. Il est démontré que, dans le cas d'une cible HiPER, une pression initiale du choc de l'ordre de 300 Mbar dans la zone d'ablation est nécessaire. Il est proposé une analyse des expériences sur la génération de chocs forts avec l'installation laser OMEGA. Il est montré qu'une pression du choc proche de 300Mbar est atteinte près de la zone d'ablation avec une intensité laser absorbée de l'ordre de 2 X 10(15) W.cm-2 et une longueur d'onde de 351 nm. Cette valeur de la pression est deux fois plus importante que la valeur attendue en considérant une absorption collisionnelle de l'énergie laser. Cette importante différence est expliquée par la contribution d'électrons supra-thermiques générés durant l'interaction laser/plasma dans la couronne. Les modèles analytiques proposés permettent une optimisation de l'allumage par choc lorsque les paramètres de la phase d'assemblage, sont pris en compte. Les diverses approches analytiques, numériques et expérimentales sont cohérentes entre-elles. / The shock ignition concept in inertial confinement fusion uses an intense power spike at the end of an assembly laser pulse. the key feature of shock ignition are the generation of a high ablation pressure, the shock pressure amplification by at least a factor of a hundred in the cold fuel shell and the shock coupling to the hot-spot. in this theses, new semi-analytical hydrodynamic models are developed to describe the ignitor shock from its generation up to the moment of fuel ignition. A model is developed to describe a spherical concerging shock wave in a pre-heated hotspot. The self-similar solution developed by Guderley is perturbed over the shock Mach number Ms >>1. The first order correction accounts for the effects of the shock strength. An analytical ignition criterion is defined in terms of the shock strength ans th hot-spot areal density. The ignition threshold is higher when the initial Mach number of the shock is lower. A minimal shock pressure of 20 Gbar is needed when it enters the hot-spot. The shock dynamics in the imploding shell is the analyzed. The shock is propagating into a non inertial medium with a high radial pressure gradient and an averall pressure increase with time. The collision with a returning shock coming from the assembly phase enhances further the ignitor shock pressure. The analytica theory allows to des cribe the shock pressure and strength evolution in a typical shock ignition implosion. It is demonstrated that, in the case of the HiPER target design, a generation shock pressure near the ablation zone on the order of 300-400 Mbar is needed. An analysis of experiments on the strong shock generation performed on the OMEGA laser facility is presented. It is sown that a shock presssure close to 300 Mbar near the ablation zone has been reached with an absorbed laser intensity up to 2 x 10(15) W:cm-2 and a laser wavelength of 351 nm. This value is two times higher than the one expected from collisional laser absorption only. That significant pressure enhancement is explained by contribution of hot-electrons generated by non-linear laser/plasma interaction in the corona. The proposed analytical models allow to optimize the shock ignition scheme, including the inuence of the implosion parameters. Analytical, numerical and experimental results are mutualy consistent.

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