Th.--Math.--Aix-Marseille 2, 1978.

Thesis (M.Sc. (Hons.)) -- University of Western Sydney, 2002. / "A thesis submitted as part of the requirements for the degree of Master of Science (Honours)" Bibliography : leaves 175-181.

Différents aspects de l'interaction d'une impulsion ultra-courte et ultra-intense avec un plasma sous-dense ont été étudiés analytiquement et numériquement.Ces études présentent un intérêt pour l'accélération laser de particules dans les plasmas, les lasers à rayons X, la génération d'harmoniques d'ordre élevé, le concept d'allumeur rapide pour la fusion par confinement inertiel. On a utilisé le code particulaire relativiste WAKE développé précédemment à l'Ecole Polytechnique. Ce code a été modifié au cours de la thèse pour traiter le mouvement des ions, pour calculer des trajectoires d'electrons tests, et pour inclure des diagnostics divers sur les champs et les particules. Les sujets traités dans cette thèse sont les suivants: l'accélération de photons dans le sillage d'une impulsion laser courte et intense, la vitesse de phase de l'onde plasma dans le sillage d'une impulsion laser auto-modulée, la canalisation relativiste d'impulsions laser de durée de l'ordre de la période plasma, la dynamique ionique dans la sillage, le déferlement. Ensuite on a simulé 3 expériences de propagation d'onde laser et d'accélération d'électrons. Voici les principaux résultats de la thèse : La réduction de la vitesse de phase de l'onde plasma dans le cas d'une impulsion laser auto-modulée ne joue que dans le cas d'un canal préformé pour la guidage relativiste de l'onde laser. On a trouvé des structures self-similaires pour décrire le guidage relativiste d'une impulsion courte dans un plasma. On a démontré la propagation auto-guidée d'impulsion initialement gaussiennes de quelques périodes plasma. On a montré que la force pondéromotrice de l'onde plasma excitée par l'impulsion laser fomre un canal et le déferlement dans ce canal a été analysé en détail. Les éfficacités de l'accélération d'électrons dans le champ laser et dans l'onde plasma ont été comparées. Le décalage en fréquence d'une sonde se propageant dans le sillage plasma a été étudié dans des conditions correspondant à des expériences actuelles.

Dans le cadre de la Fusion par Confinement Inertiel, la maîtrise de la propagation des faisceaux laser intenses, qui se propagent dans le plasma sous-dense d'une cavité d'ignition, reste un enjeu majeur. En effet, durant leur propagation, les faisceaux vont modifier les paramètres du plasma, ces paramètres contrôlant eux-mêmes la propagation. Cette rétroaction entre le plasma et le laser est potentiellement instable et produit de l'autofocalisation, de la filamentation, etc. Ces mécanismes peuvent alors dégrader fortement la propagation et in fine l'uniformité du dépôt d'énergie recherché.Dans cette étude, expérimentale et numérique, nous nous intéressons à la propagation d'un filament laser (tache focale d'une dizaine de micromètres, impulsion de 1,5 ns et d'intensité variant de 1014 W.cm-2 à 1016 W.cm-2) dans un milieu très sous dense (quelques pour-cents de la densité électronique critique). Deux expériences ont été réalisées sur l'installation de puissance LULI2000 et ont permis à la fois d'observer la transmission laser et de caractériser les gradients de température. Ces gradients sont produits par le transport électronique et influencent la réponse du plasma au laser. Afin de modéliser le rôle des gradients de température dans les instabilités d'auto-focalisation et de filamentation, nous avons associé un code d'hydrodynamique-radiative (FCI2) à un code détaillé de propagation (Héra). Pour compléter les observables précédentes, nous avons aussi mis en œuvre un diagnostic de déflectométrie protonique. Ce diagnostic permet de mesurer les champs électriques présents dans le plasma, ces champs étant issus du chauffage et de l'interaction laser. Un nouvel outil, associant le code de propagation laser et un code Monte-Carlo de transport de protons, a donc été mis en place pour modéliser les déflexions des protons. Cet outil ouvre en plus de nouvelles perspectives pour discuter de l'influence des effets 3D dans l'exploitation de ce diagnostic. Les résultats obtenus confirment l'intérêt à sonder les champs électriques au cœur même du plasma pendant la propagation laser. / The understanding and the control of high-power laser propagation into under-dense plasma is important to achieve inertial confinement fusion. During this process, the interaction of the laser with the plasma filling the hohlraum can lead to significant losses of laser energy which prevent ignition. Self-focusing or filamentation of the laser light is one of these phenomena which are desired to be mitigated since they also affect the uniformity of the laser illumination on the hohlraum wall.In order to improve our understanding of the laser-plasma interaction phenomena at play, we describe an experimental and numerical study involving an intense laser pulse between 1014 W.cm-2 and 1016 W.cm-2 , and which interacts with millimetric and under-dense plasma (having density of few % of the critical density). This work presents two experiments fielding a series of diagnostics aimed at well characterizing the laser propagation (Hisac camera) together with heat deposition in plasmas using Thomson scattering. Experimental results will be presented and discussed in the light of detailed simulations performed with the 3D laser propagation code Hera. In order to take into account the temperature gradients within the plasma during the laser propagation, Hera (laser propagation code) and FCI2 (radiation-hydrodynamic code) have been coupled. Besides, proton radiography has been used in order to access to electric fields. The measurements led to the implementation of a new and promising numerical tool using the Hera and Diane codes (Diane is a Monte Carlo particle tracing code). 3D proton radiography modelling opens new possibilities for users of this temporally and spatially resolved diagnostic.

L'interaction d'un plasma avec une impulsion laser-intense suscite de plus en plus d'intérêt du fait des progrès en matière de technologie laser d'outils numériques. La réaction du rayonnement affecte la dynamique des électrons, celle du rayonnement synchrotron, ainsi que celle des ions via le champ de séparation de charge, pour des intensités laser supérieures à 10puissance22 W/CM2. les équations cinétiques régissant le transport de particules à ultra-haute intensité ont été obtenues. La réaction du rayonnement implique la contraction du volum de l'epace des phases des électrons A l'aide de simulations numériques nous avons démontré la forte rétro-action que les effets collectifs induisent sur le rayonnement synchrotron généré par les électons accélérés. L'importance des effets collectifs dépend fortement de la masse des ions et de l'épaisseur du plasma considéré. Ces effets pourraient être vérifiés expérimentalement avec des cibles cryogéniques d'hydrogène. / Résumé en anglais

Lorsqu’un faisceau laser femtoseconde est fortement focalisé sur des matériaux transparents, une ionisation en cascade peut se produire suite à l’intense ionisation du champ induit par celui-ci. Une fraction de l’énergie laser est absorbée et transférée dans le support produisant un échauffement local. La température à l’intérieur de la zone d’irradiation s’élèvera au point de fusion ou d’ébullition, selon la fluence de l’impulsion incidente et les propriétés du matériau. En conséquence, une légère modification du matériau, la formation de nano-réseaux ou des dommages complexes peuvent se produire. L’explosion de Coulomb peut participer au processus d’enlèvement de matière lorsque le faisceau laser est fortement focalisé sur la surface. Dans cette thèse, nous allons nous concentrer sur la formation de nano-réseaux sur la surface de la silice fondue. Nous mesurons la fluence de l’impulsion nécessaire pour induire des nano-réseaux de surface pour différents espacements entre des impulsions consécutives, pour découvrir et quantifier l’effet d’incubation dans le processus de formation de nano-réseaux. Nous proposons également une équation d’incubation modifiée (seuil d’ablation en fonction de l’espacement entre les impulsions). À l’aide d’un SEM, nous examinons le changement structurel de la morphologie sur la surface induite par la combinaison de différents paramètres d’écriture tels que : l’énergie par impulsion/fluence, l’espacement entre les impulsions et la profondeur de la lumière focalisée sous la surface. Nous montrons ainsi l’évolution des nano-fentes dans le cas statique et pour une petite gamme de fluence d’impulsion et démontrons que des nano-réseaux uniformes peuvent être obtenus lorsque la fluence de l’impulsion est légèrement au-dessus du seuil d’ablation et que la largeur et l’espacement des nano-réseaux dépendent de l’espacement entre les impulsions et de leur fluence. Nous proposons également un nouveau modèle qui inclut les effets de répartition de l’intensité locale et d’incubation. L’évolution progressive de maxima locaux et la formation de nouvelle paires de nanogrooves (cas statique) ou de son autoréplication (cas de numérisation) sur des emplacements spécifiques est en fait la physique derrière le processus de formation qui est fidèlement reproduit dans l’expérience. Jusqu’à maintenant, aucun modèle n’a réussi à bien représenter les phénomènes observés. Finalement, nous présentons les applications potentielles de l’écriture directe d’un certain nombre contrôlable de nanocanaux et nano-réseaux à grande surface. / When a femtosecond laser beam is tightly focused onto transparent materials, strong field ionization followed by avalanche ionization may occur, and a fraction of laser energy is absorbed and transferred into the lattice resulting in local heating. The temperature within the irradiation zone will rise up to the melting or boiling point depending on the incident pulse fluence and material properties. As a result, either smooth modification, or well-shaped nanogratings or complex damage may occur. Coulomb explosion may also participate in the material removal process. In this thesis, we focus on the nanograting inscription on the surface of fused silica. We measure the pulse fluence which is required to induce surface nanogratings for different pulse-to-pulse spacing, uncover and quantify the incubation effect in the nanograting inscription process, and propose a modified incubation equation (ablation threshold as a function of pulse-topulse spacing). Using a scanning electron microscope, we examine the structural change on the surface induced by the combination of different writing parameters such as the pulse energy/fluence, pulse-to-pulse spacing and the depth of the focused light below the surface. We show the shot-to-shot evolution of nanogrooves in the static case for a small range of pulse fluence, and demonstrate that well-shaped nanogratings can be obtained with pulse fluence slightly above the reduced ablation threshold, and that the width and spacing of the nanogratings depend on the pulse-to-pulse spacing and pulse fluence. In particular, we propose a new model which consists of local intensity distribution and incubation effect. The progressive evolution of new local maxima and in turn the formation of new nanogrooves in pairs (static case) or in a self-replicating way (scanning case) at specific locations is in fact the physical focus behind the nanograting inscription, as is faithfully reproduced by the experiment. No previously reported model has ever been successful in that respect. Finally, we discuss and demonstrate the potential applications in direct writing of a controllable number of nanochannels and large-area nanogratings.