Étude de rayonnements basse-fréquence produits par accélération de particules à ultra-haute intensité dans des plasmas relativistes

Les sources laser de puissance pétawatt délivrent de nos jours des impulsions optiques de quelques dizaines de femtosecondes et d’intensité supérieure à 1020 W/cm2. Lorsqu’un tel faisceau de lumière interagit avec un gaz ou une cible solide, les électrons accélérés par la force pondéromotrice du champ laser deviennent relativistes et acquièrent des énergies élevées, supérieures au GeV. Ces systèmes laser produisent aussi des rayonnements variés comme des photons X durs ou des paires électron-positron par conversion quantique de photons gamma. La technologie laser progressant rapidement, ces sources de lumière ont des dimensions de plus en plus compactes et elles complètent aujourd’hui de nombreux laboratoires internationaux abritant des synchrotrons ou des accélérateurs de particules classiques.
Si cette lumière extrême permet de générer du rayonnement dans les régions du spectre électromagnétique dont les fréquences sont les plus élevées, elle met aussi en œuvre, à travers les mécanismes de production d’ondes plasma et d’accélération de particules, des processus de conversion vers les fréquences beaucoup plus basses appartenant aux domaines gigahertz et térahertz (THz).

Disposer d’émetteurs de forte puissance dans cette bande de fréquence suscite de plus en plus d’intérêt en Europe, outre-Atlantique et en Asie. D’une part, la génération d'impulsions électromagnétiques intenses de fréquences GHz-THz est néfaste pour tout appareil électronique voisin de la zone d’interaction laser-plasma et les diagnostics utilisés sur les grandes installations laser de type PETAL/LMJ en région Aquitaine. Il convient donc d’en comprendre la nature afin de mieux les prévenir. D’autre part, les ondes opérant dans ce domaine permettent non seulement de sonder les mouvements moléculaires d’espèces chimiques complexes, mais elles offrent aussi de nouvelles perspectives d’imagerie en médecine pour la détection de cancers, en astrophysique pour l’évaluation des âges de l’univers, dans le domaine de la sécurité et la surveillance de l'environnement. Les processus responsables de cette émission violente de champ électromagnétique, s’ils sont contrôlés, peuvent conduire à la production de gigantesques champs magnétiques, supérieurs à 1000 Tesla, ce qui offre de nouvelles opportunités passionnantes pour de nombreuses applications telles que le guidage de particules, la physique atomique, la magnétohydrodynamique, ou encore la modification de certaines propriétés de la matière en champ fort.

L’objectif de cette thèse est d’étudier la physique de la génération de telles impulsions électromagnétiques géantes par de courtes impulsions laser interagissant avec des milieux denses, de construire un modèle basé sur les différents mécanismes de conversion laser-impulsions THz/GHz, et de valider ce modèle à l’aide d’expériences dédiées. Le travail proposé est principalement orienté sur une activité de modélisation analytique et de simulation numérique. Il sera réalisé au laboratoire CELIA sur le campus de Bordeaux.

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