Contenu:<br />Résumé de l'activité d'enseignement et de recherche du candidat<br />Curriculum Vitae du candidat

Résumé non disponible

L'injection d'harmoniques dans des amplificateurs gazeux génère des faisceaux de rayonnement X de grand qualité. Puisque les amplificateurs basés sur cible solide sont plus denses que ceux générés sur cible gazeuse, des impulsions d'énergie supérieure et plus courtes sont attendue. Cependant, les expériences réalisées n'ont pas présenté d'énergies supérieures à 90 nJ et des durées inférieures à 1 ps. Dans cette thèse nous nous sommes concentrés sur le problème de la différence entre l'énergie extraite et celle prédite, avec pour objectif d'obtenir des faisceaux de quelques dizaines de microjoules par impulsion. Nous avons employé le code ARWEN, déjà utilisé dans ce domaine, et l'avons amélioré dans le cadre de cette thèse. Les travaux réalisés sont donc : - L'étude théorique des sources de rayonnement X cohérent, en insistant sur les sources basées sur plasmas. L'état de l'art et la physique de ces amplificateurs sont décrits en profondeur. - La description du code ARWEN et des améliorations introduites dans le cadre de cette thèse. Ainsi que les programmes utilisés pour le postprocess des donnés. - L'optimisation des amplificateurs au moyen de simulations numériques. Ces simulations continuent les travaux précédentes et expliquent les effets donnant lieu aux différences entre l'énergie obtenue expérimentalement et celle prédite théoriquement. En prenant en compte ces effets, nous proposons un amplificateur optimisé. Nous avons aussi étudié l'amplification du faisceau harmonique en concluant au besoin d'un pré-amplificateur. En résumé, nous avons amélioré le code ARWEN en ajoutant de nouvelles capacités de simulation et l'avons utilisé pour étudier la physique des amplificateurs de rayonnement X cohérent basés sur plasmas. L'évolution de ces plasmas a été comprise et nous a permis d'expliquer les différences entre les expériences et la théorie et proposer un moyen de réduire les pertes d'énergie.

Une nouvelle méthode est proposée pour la simulation des plasmas utilisant le modèle cinétique qui couple les équations de Vlasov pour la distribution des particules et de Maxwell pour la contribution des champs électromagnétiques. Cette méthode est semi-Lagrangienne, elle utilise une grille de l'espace des phases et se sert des caractéristiques de l'équation de Vlasov. Ces caractéristiques sont suivies en avançant dans le temps, ce qui permet plusieurs avantages par rapport à la méthode classique. Déjà, cette méthode est explicite, ce qui permet une montée en ordre facilitée qui peut offrir davantage de stabilité, et la possibilité de construire des schémas qui conservent la charge en utilisant ses similitudes avec les méthodes PIC. Ceci est fondamental pour s'assurer que les solutions calculées sont bien physiques.

Le sujet de ce mémoire s'inscrit dans le contexte général de l'étude des propriétés radiatives des plasmas chauds. L'état « plasma » constitue le quatrième état de la matière, faisant suite dans l'échelle des températures aux états dits « classiques » : solide, liquide et gaz. Il s'agit d'un état dilué constitué de particules chargées -électrons et ions positifs- en proportion telle que le milieu est globalement neutre. Les plasmas représentent un pourcentage non-négligeable de notre environnement. Présents majoritairement dans l'Univers, on les retrouve dans les objets astrophysiques tels que les étoiles, ou encore les atmosphères planétaires pour citer quelques exemples. Jusque vers les années 50, l'étude des plasmas créés en laboratoire était limitée à celle des décharges dans les gaz. On avait alors affaire à des plasmas partiellement ionisés, où une proportion importante des atomes constituant le gaz restait dans un état lié. De plus, les contributions à la compréhension des phénomènes physiques de base de cet état de la matière venaient essentiellement des astrophysiciens et des géophysiciens. L'essor de la physique des plasmas actuelle commence en fait avec les recherches associées à la fusion par confinement inertiel (FCI), proposées pour la première fois par Dawson en 1964. Dans ce schéma, une cible de DT (deutérium-tritium) est chauffée et comprimée jusqu'à l'ignition par des lasers de puissance (attaque directe) ou par rayons X, générés dans une cavité de matériau de numéro atomique Z élevé chauffée par lasers (attaque indirecte). Cette quête de la fusion est donc majoritairement à l'origine de l'essor des lasers dont on exige de plus en plus de puissance. Créés par et chauffés par rayonnement laser, les plasmas chauds émettent dans une large gamme du spectre électromagnétique : du rayonnement radio-électrique au rayonnement X. L'émission radiative des plasmas de laboratoire constitue un véritable indicateur de leur densité, température et de leur état d'ionisation. Ainsi, l'étude de ces plasmas fait intervenir de nombreux domaines tels que la physique atomique, la physique statistique, les équations hydrodynamiques et enfin les équations du transfert radiatif. De multiples applications sont venues motiver la recherche des plasmas créés par laser, vue la large gamme de densité-température accessible en laboratoire. On peut par exemple citer la microscopie X et la lithographie. De plus, le développement des lasers de puissance délivrant 2 des impulsions ultra-brèves (≤1 ps) dans la gamme du térawatt a ouvert la voie à de nouveaux axes de recherche. Dans ces domaines d'intensité relativiste (10 20 W/cm2), on peut accélérer des faisceaux intenses d'électrons et d'ions de forte énergie. Dans ces régimes, l'interaction laser-matière permet de produire des sources intenses et brèves de rayons X, γ et de neutrons, ce qui laisse présager des applications prometteuses dans le domaine médical, notamment pour le traitement des tumeurs.

L'astrophysique stellaire nécessite aujourd'hui de modéliser les champs magnétiques de grandes échelles, observés par spectropolarimétrie à la surface d'étoiles de type Ap/Bp et pouvant expliquer la rotation uniforme dans la zone radiative solaire déduite de l'héliosismologie. Durant ma thèse, je me suis attaché à décrire les possibles états d'équilibre magnétique dans les intérieurs stellaires. Les configurations trouvées sont mixtes poloïdales-toroïdales et minimisent l'énergie à hélicité donnée, en analogie aux états de Taylor rencontrés dans les sphéromaks. La prise en compte de l'auto-gravité m'a conduit à des équilibres de type « non force-free », qui vont donc influencer la structure stellaire. J'ai dérivé toutes les quantités physiques associées au champ magnétique puis quantifié les perturbations qu'elles induisent sur la gravité, les quantités thermodynamiques et énergétiques, pour une structure solaire et une étoile Ap. Des simulations MHD 3D m'ont permis de démontrer que ces équilibres forment une première famille d'états stables, la généralisation de tels états restant une question ouverte. J'ai montré qu'un champ magnétique dans la zone radiative solaire est susceptible de déformations comparables à une rotation élevée dans le coeur. Son influence sur la convection a aussi été examinée. J'ai également étudié l'interaction séculaire champ magnétique-rotation différentielle-circulation méridienne dans le but d'implémenter ses effets dans un code d'évolution stellaire nouvelle génération. Par ailleurs, les processus hydrodynamiques ont été comparés à ceux de la diffusion et d'un changement de l'efficacité de la convection dans une étoile cible du satellite CoRoT.

In this thesis the following problems are studied: 1-Relativistic self-focusing and channelling of intense laser pulses have been studied in underdense plasma using 2D PIC simulations, for different laser powers and plasma densities. Analytical solutions for the stationary evacuated channels have been recovered in PIC simulations. It is shown that otherwise stable channels can accelerate electrons due to surface waves on the walls of the channels. Relativistic filaments with finite electron density are unstable to transverse modulations which lead in the nonlinear stage to the break-up of laser pulses into independent filaments. 2-Although 3D simulations are limited, they are more realistic. Azimuthal stability of the laser pulses in interaction with underdense plasma can only be studied in 3D geometry. Relativistic self-focusing and channelling of intense laser pulses have been studied in underdense plasma using 3D PIC simulations, for different laser powers and plasma densities. Analytical solutions for the stationary evacuated channels and ring structure have been recovered in PIC simulations. The stability of ring structure due to azimuthal perturbations has been studied both in theory and in simulations. The gain length of such instability is smaller at higher densities $(>0.1n_{cr})$. It is shown that the azimuthal perturbation can break up the azimuthal symmetry of the laser pulse. 3-Working with circularly polarized laser pulses, gave us a motivation to study Inverse Faraday Effect in interaction of circularly polarized laser pulses with plasma. Axial magnetic field generation by intense circularly polarized laser beams in underdense plasmas has been studied with 3D particle-in-cell (PIC) simulations and by means of theoretical analysis. The source of azimuthal nonlinear currents and of the axial magnetic field depends on the transverse inhomogeneities of the electron density and laser intensity. The fields reach maximum strength of several tens of MG for laser pulses undergoing relativistic self-focusing and channelling in moderately relativistic regime. 4-Electron wakefield acceleration was studied in support of the experiment which was carried on using 7 TW laser beam at Canadian Advanced Laser Light source facility. 2D simulations were performed to study this problem. The energy the electrons gained in the process was peaked at 20-30 Mev close to the experimental results.

The theory of quantum electrodynamics (QED) was born out of an attempt to merge Einsteins theory of special relativity and quantum mechanics. Einsteins energy/mass equivalence together with Heisenberg's uncertainty principle allows for particle pairs to be spontaneously created and annihilated in vacuum. These spontaneous fluctuations gives the quantum vacuum properties analogous to that of a nonlinear medium. Although these fluctuations in general does not give note of themselves, effects due to their presence can be stimulated or enhanced through external means, such as boundary conditions or electromagnetic fields. Whereas QED has been very well tested in the high-energy, low-intensity regime using particle accelerators, the opposite regime where the photon energy is low but instead the intensity is high is still to a large degree not investigated. This is expected to change with the rapid progress of modern high-power laser-systems. In this thesis we begin by studying the QED effect of photon-photon scattering. This process has so far not been successfully verified experimentally, but we show that this may change already with present day laser powers. We also study QED effects due to strong magnetic fields. In particular, we obtain an analytical description for vacuum birefringence valid at arbitrary field strengths. Astrophysics already offer environments where QED processes may be influential, e.g. in neutron star and magnetar environments. For astrophysical purposes we investigate how effects of QED can be implemented in plasma models. In particular, we study QED dispersive effects due to weak rapidly oscillating fields, nonlinear effects due to slowly varying strong fields, as well as QED effects in strongly magnetized plasmas. Effects of quantum dispersion and the electron spin has also been included in an extended plasma description, of particular interest for dense and/or strongly magnetized systems.

Le CETP a une expertise reconnue depuis de nombreuses années dans le domaine des capteurs de champs magnétiques alternatifs en environnement spatial (plasmas naturels et magnétosphère). Ces magnétomètres nommés searchcoils, sont constitués d'un noyau en matériau ferromagnétique sur lequel est bobiné un fil de cuivre. De récentes améliorations ont été apportées aux searchcoils en travaillant sur la forme de leur noyau magnétique : des instruments plus petits et plus légers, à sensibilité égale, ont pu être réalisés pour la mission multisatellite THEMIS par exemple. Par principe, le searchcoil ne permet pas de mesurer les champs magnétiques continus. Dans les expériences spatiales, cette mesure est confiée au magnétomètre fluxgate. Les capteurs de champs magnétiques issus des technologies employées pour la microélectronique (dépôts en couches minces, semi-conducteurs), tels que les capteurs à effet Hall ou les magnétorésistances, n'ont pas des sensibilités comparables à celles des fluuxgates, et ce, à au moins trois ordres de grandeur près ! Le point de départ de notre travail est d'ajoindre au searchcoil un capteur de champ magnétique continu issu de la microélectronique en utilisant le noyau magnétique pour améliorer sa sensibilité et tenter d'atteindre les performances des fluxgates. Ce nouvel instrument aurait pour intérêt de proposer une mesure redondante sur le champ magnétique continu, en utilisant une technologie différente du fluxgate, sans augmentation de l'encombrement puisque le searchcoil est peu modifié par l'introduction du microcapteur.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Chimie et physico-chimie des polymères : Le Mans : 2001. / Thèse : 2001LEMA1012. Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p.191-196.