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Experiences à ultra-haut contraste et ultra-haute intensité. Physics at igh ntensity. P.Monot. - PowerPoint PPT Presentation
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EXPERIENCES À ULTRA-HAUT CONTRASTE ET ULTRA-HAUTE
INTENSITÉ
Physics at igh ntensity
T. Ceccotti, S. Dobosz, H. Lagadec, F. Quéré, H. George, M. Bougeard, G. Bonnaud, F. Réau, M. Lelek, P. D’Oliveira, C. Thaury, A. Levy, H. Popescu, A.André, A. Flacco, J. Robiche, Ph. MartinColl. J-P. Geindre, P. Audebert, R. Marjoribanks, E. Lefebvre, R. Nuter, A. Andreev
P.Monot
Notre préoccupation scientifique: réponse non linéaire de la matière soumise à des éclairements élevés
?
laser
Solid target
What appens when a short (<100 fs) ultra-intense laser (1018 to 1020 W/cm2) is focused onto a solid taget ?
Notre programme scientifique- Cibles solides: Génération d’harmoniques
Accélération d’ionsDiagnostics XUV
-Cible gazeuses : accélération d’électrons (nouvelle activité)en collaboration avec LULI, LOA, LPGP, ILIL…
laser
Où est la complexité ?( Beaucoup de photons, beaucoup de matière, beaucoup de charge, pas
d ’équilibre )
cible
électrons
-la matière devient rapidement un plasma dense (opaque)-le mouvement des électrons est relativiste, en 100 fs les ions ne bougent pas-les électrons sont forcés par le champ laser à rentrer dans la cible périodiquement-les électrons excitent des ondes plasmas dans la matière dense
temps
-la dynamique est sub femtoseconde (attoseconde<<< électronique)
?
Problème : confrontation laser idéal pour l’expérimentateur/ réalités technologiques
A young and unknown physicist dreaming about imaginative theories concerning general relativity
A realistic but imperfect experimental facility to test general relativity
Un problème “universel”?
laserSolid target
laserSolid target
Low densitypre-plasma
Seuil de dommage
Time (ps)100
Inte
nsity
(W/c
m2 )
-50 0 50
1010
1012
1014
1016
1018
Profil temporel réel
Profil temporel idéal
Fluctuations tir à tir!
laser
target
grating
Génération d’harmoniques?
P.Monot et al, Optics Lett., 29, 893 (2004)
10 11 12
high contrast
low contrast
Harmonic order
La première signature de la réponse non-linéaire de la matière= hamoniques?
Thickness , Emax
FWD
Stronger electron confinement Limited electrons dispersion
A.J. Mackinnon et al., PRL 88, 215006-1 (2002)D. Neely et al., App. Phys. Lett. 89, 021502 (2006)
T. Ceccotti, Phys. Rev. Lett. 99, 185002 (2007)
Ions Rapides?
High contrast
0
1
2
3
4
5
6
0.1 1 10 100 1000
Max
Ene
rgy
(MeV
)
Thickness (µm)
Low contrast
Seuil de dommage
Time (ps)100
Inte
nsity
(W/c
m2 )
-50 0 50
1010
1012
1014
1016
1018
Real temporal profile
Profil temporel idéal
2 problèmes:-Comment supprimer le piédestal -Comment la mesurer avec la dynamique nécessaire
Le problème du profil temporel
Frequency doubling
Frequency mixing Detector
2w=delta fonctionVariable delay line
Acquisition
Development of 4 generations of high dynamic third order crosscorrelators
Principle: probe the temporal profile with a delta function
Delta function=frequency doubling Signal=3
Plasma creationne>ncreflecting plasma
G. Doumy et al., Phys. Rev. E ,2004
Transparent medium
Miroirs Plasmas :commutateurs optiques ultra-rapides
Peut-on supprimer le piédestal? oui!
BV
BC
The pedestal goes through the transparent medium
10 eV1 eV
Multiphotonic absorption or tunnel effect + avalanche
BV
BC
Profil temporel du laser UHI10 -saclay
Sans miroir plasmaAvec miroir plasma
Time (ps)
Inte
sity
(u. a
rb.)
-100 -60 -20 0 20 6010-12
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
100
gain104
10 ordres de grandeur!
10-10
Everest
galet
bactérie
A. Lévy et al., Optics Letters 32, 310 (2007)
Seuil de dommage
Laser beamNumerical simulations of the electronic density dynamic
target
vacuum
vacuum
Fast bwd electronsFast fwd electrons
Plasma wave excitation
Rear face electrons
time
Reproductible experiments close to ideal and computable conditions
I génération d’ Harmoniques d’ordres élevés / solides
II accélération d’ Ions par un miroir plasma
III Conclusion et perspectives
I=8.10 18 W/cm2
Relativistic Oscillating Mirror
Nouvelle source UVX intense et ultra-brève
Génération d’Harmoniques d’ordres élevés sur cible solide -10TWContact F. Quéré
Fast bwd electrons
14 15 16 17 18 19 20
(nm)
20 µJ !
65 60 55 50 45 40 35
Spectre contenant les multiples de la fréquence du laser
Modèle du miroir oscillant
Faisceau laser
2-Champ électrique du laser: induit une oscillation de la surface critique réfléchissante
1-géneration d’un plasma à la densité critique Milieu réfléchissant
Effet Doppler oscillant ou
Auto modulation de phase du faisceau laser
Red shift
t
E
Blue shift
Génération d’ harmoniques par cible solide
(en λ)
I1
I2 > I1
Génération d’ harmoniques par cible solide
Rayonnement cohérent : accès aux propriétés de phase
Time (optical cycle)
Temps d’émission=f(I)
Mesure de la dépendance de la phase par technique interférométrique
Les harmoniques sont des sondes de la dynamique électronique ultra-rapide!
Thaury et al, Nature Physics, 10.1038/nphys986 (2008)
-résultats préliminaires @ 100 TW
Laser UHI100in operation since mid 2009
Intensity ~ 5 1019 W/cm2
On target focal spot
100TW pulses t ≤ 25 fs, Contrast 1013
HHG @ 25 fs Contrast > 1012, ILaser=3x1019W/cm2
Bulk target
CWE+Relativistic Relativistic
7 nm
Very promising results ! – Harmonics are very sensitive to surface quality: 7nm foils remain « mirror like » : signature of an excellent contrast-Harmonic « probe » efficient in conditions relevant to fast ion emission
100 nm
20 nm
Dromey et al, PRL 99, 085001 (2007)Dromey et al, Nature Physics 2, 456 (2006)
I≈2.1020 W.cm-2
II accélération d’ions
target
vacuum
vacuum
Fast bwd electronsFast fwd electrons
Plasma wave excitation
Rear face electrons
time
Contact : T. Ceccotti
e-
e-
protons
Effet courant électronique; épaisseur (cibles<1 µm donc très fragiles ! ) importance du contraste
principe
Choc électrostatique à la discontinuité de matière
H+
C6+
C5+
C4+
C3+
C2+
C+
ForwardForward
FWD H+
Experiment on UHI10 Laser :mylar target, 45° incidence angle, p polarization
Real time single shot ion detection
Accélération d’ions par miroir plasma
High contrast
Low contrast
0
1
2
3
4
5
6
0.1 1 10 100 1000
Max
Ene
rgy
(MeV
)
Thickness (µm)
T. Ceccotti, Phys. Rev. Lett. 99, 185002 (2007)
S.C. Wilks et al., Phys. of Plasmas 8, 542 (2001)TNSA
+++
---
H+
C6+
C5+
C4+
C3+
C2+
C+
ForwardForward
FWD H+
Experiment on UHI10 Laser :mylar target, 45° incidence angle, p polarization
BackwardBackward
BWD H+
Accélération d’ions par miroir plasma
De l’oscillateur harmonique à la soupe
++++++++
++++++++
-
-- ---
- --
- -
-
Résultats expériences @ Haut Contraste
Cible: 1.5 µm CH cible
grille
RCF
laser
maillage = 500 µmmaillage = 12,7 µm
accélération d’ions
BWD H+
IONS@ 25 fs, Semi-infinite TargetsContrast > 1012, ELaser0.85 J, ILaser=3 1019W/cm2
0 5 10 15 20 25 30 3501234567
Laser Power (TW)
Max
pro
ton
Ene
rgy
(MeV
)
1PW
150 MeV
Application en proton - thérapie ?
De nouveaux régimes d’interaction ?
SAPHIR projectapplication of
energetic ionic sources to proton
therapy
Amplitude TechnologiesCEA-SaclayLOADosisoftPropulse SASInstitut CurieInstitut Gustave RoussyCentre de Proton-thérapie Orsay
Production de sources brillantes de particules et de lumière
Interaction à ultra-haute contraste et ultra-haute Intensité
Conclusion
- L’étude des sources renseigne sur le scénario de l’interaction, sur la dynamique électronique aux échelles de temps les plus courtes (as)
- Sources brillantes pour des applications ? (ICF, Hadrontherapy, imaging…)
Perspectives : Interaction à 100TW ?
Maîtrise du contraste temporel essentielle
-de nouveaux régimes d’accélération d’ions ? – qq dizaines de MeV ?- applications ? -reconstitution de la dynamique attoseconde du mouvement des électrons -emission dans le domaine du keV ?-GeV electrons ?
Collaborations
K.J.Boller, R. LochLPNO- Twente University
The Netherlands
J.P. Geindre, J.R. Marques LULIFrance
A. Giulietti, L. Gizzi, S. BettiILILItaly
D. GiuliettiINFN Italy
Anatoly, Tania FaenovJAEAJapon
A. Andreev,Vavilov State
Optical InstituteRussia
E. Lefebvre, R. NuterCEA/DAM
France
J. Limpouch, O. Klimo FNSPE, Tech. University
Czech Republic
A. MacchiINFM Italy
J. Faure, V. MalkaLaboratoire d’Optique
AppliquéeFrance
Coherent Wake EmissionHigh Order Harmonic Generation from solid targets
t0 t1
t2t3
Emission from the excited plasma wave: cutoff = plasma frequency
solid
laser
Need to limit the exposure of workers to fast particle and secondary ionizing emission
-Conception and validation of shielded experimental area-Safety protocol-Education of workers-Operational dosimetry
Target
laserplasma
gProtons
Electrons
Neutrons
Ions
XUV
3 CEA units involved: SPAM, SPR(radioprotection unit), SENAC (nuclear expertise and conception)
Avant d’utiliser ce type de laser: nécessité de gérer la sécurité-nouveau dans notre discilpline
Would you risk the life of this young, unknown and promising physicist ?
Accélération d’ions par miroir plasma
1m concrete
CompressorExperimental chamber
calculations
Dedicated Automate for Safety management
« daily » dosimetric measurement
Experimental chamber wall mSv/pulse
Concrete wallvacuumAir
Neutron dose
Concrete wall
1 mExperimental chamber wall
mSv/pulse
vacuumAir
Photon dose
85µSv RPL57µSV FLI
13
10 9
1112
81 2 3 4 56
7
14
3mSv RPL1.2mSV FLI
6.3mSv RPL1.6mSV FLI 14mSv RPL
5mSV FLI5mSv RPL1.8mSV FLI
3mSv RPL1mSV FLI
2mSv RPL0.7SV FLI
1.2mSv RPL0.4mSV FLI
0µSv RPL0µSV FLI
90µSv RPL55µSV FLI 132µSv RPL
258µSV FLI
99µSv RPL63µSV FLI
10mSv RPL4mSV FLI
77µSv RPL55µSV FLI
Typically measured dose=1/4 calculated dose (overestimation of source term for safety)
The Saclay UHI experimental area
Operation agreement with respect to detailed calculations and “daily” dosimetry
Time (ps)3ps
Inte
nsity
(W/c
m2 )
-3ps 0
10 10
10 12
10 14
10 16
10 18
Dammage threshold
UHI10DPMUHI100UHI100 DPM(estimated)
5x1019
5x1018
Expected contrast over the dynamic of today’s correlators
What about the temporal contrast ?
divergence and fluxBWD FWD
0.45 MeV
1.9 MeV
Radiochromic Films measurements
- ------- +++++
E---------++++
+E -----
--- -
TNSA valid for both sides
Ionic acceleration from thin foils @ 10 TW, 60 fs
SYMMETRY of the acceleration !SYMMETRY of the acceleration !
Génération d’Harmoniques d’ordres élevés sur cible solide -10TW
2 mécanismes de génération
Emitted electromagnetic field
Contact F. Quéré
Fast bwd electrons
Fast fwd electrons
Plasma wave excitation
I=3.10 18 W/cm2Cutoff p, n=15
I=8.10 18 W/cm2
Génération d’ harmoniques par cible solide
Relativistic threshold = 5.1018 W/cm2
2) Coherent Wake Emission
Fast fwd electrons
Plasma wave excitation
DPM
Non Linear Filtering with a DPM
compression chamber
experimental chamber