WO2023198653A1 - Procede et systeme d'acceleration d'electrons par interaction laser-plasma - Google Patents

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WO2023198653A1
WO2023198653A1 PCT/EP2023/059338 EP2023059338W WO2023198653A1 WO 2023198653 A1 WO2023198653 A1 WO 2023198653A1 EP 2023059338 W EP2023059338 W EP 2023059338W WO 2023198653 A1 WO2023198653 A1 WO 2023198653A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pulse
laser
gas
plasma
electrons
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/059338
Other languages
English (en)
Inventor
Henri VINCENTI
Adrien LEBLANC
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Centre National De La Recherche Scientifique
Ecole Polytechnique
Ecole Nationale Superieure De Techniques Avancees
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives, Centre National De La Recherche Scientifique, Ecole Polytechnique, Ecole Nationale Superieure De Techniques Avancees filed Critical Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Publication of WO2023198653A1 publication Critical patent/WO2023198653A1/fr

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H15/00—Methods or devices for acceleration of charged particles not otherwise provided for, e.g. wakefield accelerators

Definitions

  • the present invention relates to a method and a system for accelerating electrons by laser-plasma interaction. It concerns in particular the field of electron acceleration using femtosecond lasers ranging from the terawatt (TW) class to the multi-PW (petawatt) class by a laser wake mechanism (Laser WakeField Acceleration or LWFA in English).
  • TW terawatt
  • PW multi-PW
  • LWFA Laser WakeField Acceleration
  • ai — m e (D — 1 c with e and m e the charge and the mass of the electron, respectively, E L the peak amplitude of the pulse (expressed in V/m), the angular frequency of the laser and c the speed of light.
  • ai — m e (D — 1 c with e and m e the charge and the mass of the electron, respectively, E L the peak amplitude of the pulse (expressed in V/m), the angular frequency of the laser and c the speed of light.
  • VLA vacuum Laser Acceleration
  • VLA vacuum laser acceleration
  • the laser field itself delivers electric fields of several TV/m which can in principle accelerate electrons to relativistic speeds over the Rayleigh length of the laser.
  • the VLA method was mainly studied from a theoretical point of view because the conditions necessary to properly inject electrons into the laser field were extremely difficult. Indeed, the injected electron bunch must be ultra-short (much shorter than a laser period ⁇ 3fs) and injected at a very precise acceleration phase with sub-fs precision.
  • FIG. 1A schematically illustrates the principle of this technique.
  • An incident laser pulse in ultra-short p-polarization ( ⁇ 25 fs) is focused with an intensity greater than 10 18 IV/cm 2 onto a plasma mirror which is reflective for the field of the incident laser pulse.
  • the plasma mirror is generated under vacuum by ionizing a initially solid target by a laser pre-pulse focused at an intensity greater than 10 16 W / cm 2 .
  • the “plasma mirror” thus formed oscillates at speeds relativistic to the laser period.
  • the E-field of the incident laser pulse ejects electrons from the plasma mirror surface and injects them into the reflected laser field.
  • the injected charge is then accelerated by the ultra-intense electric field of the laser pulse.
  • the gas is ionized almost instantly by the ultra-intense laser field and forms a "subdense" plasma, with an electron density typically between 10 17 cm” 3 and 10 2 ° cm" 3 .
  • a plasma is said to be “underdense” when the plasma frequency, proportional to the square root of the density, is lower than the laser frequency.
  • the laser pulse via the poderomotive force it causes) violently expels the electrons from its trajectory during its propagation and forms an empty "bubble" of electrons in its wake, which can support large accelerating fields of the order of 100 GV/m. Certain plasma electrons can then be trapped in this bubble and be accelerated to relativistic speeds over lengths of a few millimeters to a few centimeters.
  • This LWFA mechanism allows the acceleration of electrons up to 8 GeV on the cm scale (see A. J. Gonsalves et al., “Petawatt Laser Guiding and Electron Beam Acceleration to 8 GeV in a Laser-Heated Capillary Discharge Waveguide,” Phys. Rev. Lett., vol. 122, no. 8, p. 084801, Feb. 2019, doi:
  • the LWFA type device can already provide high quality electron beams: ultra-short (a few fs), small size (pm scale), low divergence, and low energy dispersion ( a few %).
  • LWFA type devices currently suffer from a relatively low charge per electron bunch at high energy (around ten pC at a few GeV).
  • an object of the invention is a method and a system for accelerating electrons by laser-plasma interaction based on the laser wake mechanism.
  • the injection of electrons is carried out from the reflection of an ultra-short laser pulse directed in oblique incidence and s polarization on a dense plasma previously generated, whereby a The laser wake is then generated within the gas.
  • the laser pulse heats the electrons in the dense plasma to a energy such that a bunch of electrons is injected into the wake to be accelerated.
  • the invention makes it possible to considerably increase the charge of the electron bunch while maintaining optimal electron beam quality.
  • the invention makes it possible to significantly improve the quality of the electron beam (divergence and dispersion of energy).
  • an object of the invention is a method of accelerating electrons by laser-plasma interaction in which at least one laser pulse is directed onto a surface of a target in the condensed state, said surface being covered with a layer of gas, the intensity of said at least one pulse being sufficient for:
  • step B after reflection by the dense plasma, generate a laser wake in the gas layer;
  • step C heat the electrons of said dense plasma to an energy such that a packet of said electrons is injected into said wake to be accelerated there, said pulse, or at least the pulse intended to be reflected by the dense plasma and to heat the electrons of the latter, being in oblique incidence in polarization s on said target.
  • the generation of the dense plasma in step A is induced by one of said at least one laser pulse called pre-pulse and steps B and C are induced by one of said at least one laser pulse called the main pulse, in step B, said main pulse is spatially superimposed on the pre-pulse and has a temporal delay relative to the pre-pulse.
  • - said time delay is sufficiently small so that a scale length of the gradient of the dense plasma is less than a wavelength of the main pulse, and/or
  • said time delay is between 50 fs 200 ps
  • the method comprises a step of adjusting said time delay so as to optimize a charge of said electron packet injected into said wake.
  • the intensity of the pre-pulse is greater than 10 15 W/cm 2 on said surface and, in step B, the intensity of the The main pulse is greater than 10 18 W/cm 2 after reflection by said dense plasma.
  • the method comprises a step prior to steps A and B of generating the pre-pulse and the main pulse from the same so-called initial laser pulse.
  • the method comprises a step prior to steps A and B, of increasing the temporal contrast of the main pulse by reflection on one or more additional plasma mirrors.
  • an average pressure in the gas layer is between 0.1 atm and 200 atm, preferably between 0.5 atm and 50 atm
  • Another object of the invention is a system for accelerating electrons by laser-plasma interaction comprising:
  • a laser system adapted to generate at least one laser pulse
  • an optical system adapted to direct said at least one laser pulse onto a surface (SS) of the target in the condensed state
  • the laser system and the optical system being further configured such that the intensity of said at least one pulse is sufficient for: • generate, from the target in the condensed state, a dense plasma;
  • the optical system being further adapted so that said pulse, or at least the pulse, intended to be reflected by the dense plasma and to heat the electrons of the latter, either in oblique incidence in s polarization on said target.
  • the laser system and the optical system are configured to:
  • pre-pulse Generate a first so-called pulse, called pre-pulse, and direct it towards the target to generate said dense plasma
  • the main pulse Generate a second so-called pulse, called the main pulse, and direct it towards the target to generate said wake in the gas layer and induce said heating of the electrons of said dense plasma
  • said laser system is adapted so that the temporal contrast of the main pulse is greater than 10 8 , preferably greater than 10 10 .
  • the system of the invention comprises a gas nozzle connected to a gas reservoir, the gas nozzle being adapted to deliver a jet of gas configured to form the gas layer.
  • the system of the invention comprises a gas cell sealed or partially sealed by the target, the gas nozzle being adapted to deliver the gas jet into the gas cell.
  • the target is formed by a portion of ribbon which unwinds from a reel, said system comprising a motor assembly adapted to unwind said ribbon in the cell.
  • the gas reservoir comprises helium and/or hydrogen and/or nitrogen.
  • the gas nozzle is adapted so that an average pressure in the gas layer is between 0.1 atm and 200 atm, preferably between 0.5 atm and 50 atm.
  • FIG.lA a schematic illustration of the methods known in the art for accelerating electrons by laser-plasma interaction in a vacuum and by laser wake mechanism respectively
  • FIG.2 a block diagram of the system according to a preferred variant of the invention
  • FIG.4A a graphic representation of a spectrum of the electron beam generated by the system of the invention obtained by simulation
  • FIG.4B a graphic representation of an experimental result: a spectrum of the electron beam generated by the system of the invention
  • FIG.5 a schematic representation of a system according to a first embodiment of the invention
  • FIG.6 a schematic representation of the system according to a second embodiment of the invention
  • FIG.7 a schematic representation of the system according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 2 schematically illustrates a system 1 according to a first preferred variant of the invention for accelerating electrons by laser-plasma interaction. It mainly consists of a laser system SL, for delivering an initial laser beam Fl carrying a first pulse called pre-pulse IL1 and a second pulse called main pulse IL2, and an optical system SO for focusing these pulses IL1, IL2 on a target in the solid state CS (more generally in the condensed state, the use of a liquid target also being possible).
  • the beam Fl is focused by the optical system SO on a surface SS of the target CS so as to form a focused laser beam FF.
  • the SS surface of the CS target is covered with a layer of CG gas.
  • the laser system SL and the optical system SO are adapted so that the intensity of the pre-pulse IL1 is sufficient to, in a step A, generate a dense plasma MP on the surface SS of the target by ionizing the target CS.
  • the intensity of the IL1 pre-pulse is greater than 10 15 IV/cm 2 on the SS surface in order to be able to ionize the target CS and thus generate the dense plasma MP.
  • the intensity in W/cm 2 mentioned here and in the remainder of the document corresponds here to the peak intensity of the IL1 or IL2 imulsion at the surface where the IL1 or IL2 pulse is focused.
  • ⁇ P ( £ o being the electrical permittivity of the vacuum) is greater than the frequency of the laser pulse intended to be reflected by the dense plasma MP (that is to say the main pulse IL2).
  • This condition allows the reflection of the main pulse IL2 on the dense plasma MP in a step subsequent to step A. Otherwise, the laser pulse would propagate in the plasma instead of being reflected by the latter.
  • the laser system SL and the optical system SO are adapted so that the intensity of the main pulse IL2 is sufficient for:
  • step B after reflection by the dense plasma MP, generate a WF laser wake in the gas layer.
  • the laser beam reflected by the dense plasma MP is denoted by the reference FR in Figure 2. This wake is similar to that detailed above for the description of Figure 1 B.
  • step C heat the electrons of the dense plasma to an energy such that an EB bunch of electrons is injected into the WF wake to be accelerated there.
  • the reflection of the FF beam on the dense plasma MP generates an FE electron beam.
  • the minimum energy allowing injection is typically 100 keV.
  • the main pulse IL2 it is necessary for the main pulse IL2 to be focused towards the target CS in oblique incidence and in polarization s for reasons which will be explained later.
  • the plasma frequency of the plasma generated by the pre-pulse L1 must be greater than the frequency of the main pulse IL2, denoted o 2 in order to allow the reflection of the main pulse IL2 on the dense plasma MP.
  • the main pulse IL2 when reflected by the dense plasma, is spatially superimposed on the pre-pulse IL1 to optimize the ejection of electrons from the dense plasma MP.
  • VLA type devices of the prior art for example Thévenet, et al.
  • the injection is caused by the laser field E present in the normal direction n to the surface of the plasma mirror which “rips off” the electrons from the mirror and injects them into the laser E field in a zone where the plasma electrostatic field does not allow acceleration.
  • This generates a poor quality FE electron beam (high divergence and high energy dispersion).
  • the injection mechanism is different. Indeed, critically, the main laser pulse IL2, intended to be reflected by the dense plasma (and to heat the electrons of the latter), is directed in oblique incidence and in polarization s on the target CS. As a result, there is no field E in the normal direction n at the surface of the dense plasma MP.
  • the injection is caused in two stages: firstly by heating the electrons of the dense plasma by means of the laser pulse when it is reflected on the dense plasma. Then, a part of these electrons heated to sufficient energy are then trapped in the electrostatic field of the laser wake bubble with a phase adapted to be accelerated over lengths of several millimeters to a few centimeters.
  • this mechanism allows an injection of a high charge of electrons from a few MeV to around ten MeV with a modest laser energy (typically greater than 10 pC with a few hundred millijoules), and preferably greater than 100 pC, or even 1 nC, for high laser energy of several joules to tens of joules.
  • the EB electron bunches are injected with an appropriate phase into the laser wake bubble, which allows obtaining a good quality FE electron beam (low divergence and low energy dispersion) with energy from several hundred MeV to a few GeV at the end of the wake acceleration.
  • Figure 3 brings together three instantaneous representations a, b and c of a PIC code simulation (Particle In Cell method in English, known in the art), each of the representations being obtained at different instants of the process of the invention according to the second variant of the invention.
  • the three instantaneous representations a, b and c in Figure 3 illustrate the propagation of the main pulse IL2 at different times.
  • In light gray level is represented the electron density DE of the plasma within the gaseous layers CG in dense MP and in darker gray level is represented the laser field of the IL2 pulse.
  • Instantaneous representation a) illustrates the laser field of the IL2 pulse before its reflection on the dense plasma MP having already ionized the gas on its path.
  • Instantaneous representation b) illustrates the laser field of the IL2 pulse during its reflection on the dense plasma MP.
  • instantaneous representation c) illustrates the laser field of the IL2 pulse after its reflection on the dense plasma MP.
  • instantaneous representation c) we also observe the laser wake mechanism accelerating a bunch of electrons EB, the injection of this bunch into this laser wake having been allowed by the heating of the electrons of the dense plasma MP by the pulse IL2.
  • the main pulse IL2 causing the heating of the electrons and generating the wake has an intensity greater than 10 18 W/cm 2 during its reflection by the dense plasma MP. This makes it possible to obtain a laser field sufficient to enable the wake mechanism and to cause acceleration of the electrons to energies of several hundred MeV for a charge typically greater than 10 pC, preferably greater than 100 pC. In general, to achieve such intensities, it is necessary for the SO optical system to strongly focus the FF beam, typically to focal spots of a few ⁇ m in diameter.
  • the laser system SL is adapted to deliver a single laser pulse.
  • the laser system SL and the optical system SO are adapted so that the pulse IL0 has an intensity such that the rising time front of the pulse ionizes the target CS and generates the dense plasma MP and so that the IL0 pulse generates the wake in the gas layer and induces the heating of the electrons of the dense plasma causing the injection.
  • the IL0 pulse it is preferable for the IL0 pulse to have an intensity greater than 10 18 W/cm 2 during its reflection by the dense plasma to allow acceleration of the electrons to energies of several hundred MeV.
  • it is necessary for the IL0 pulse to be focused towards the target in oblique incidence and in polarization s in order to allow injection only via heating of the plasma electrons.
  • This second variant is not the preferred variant of the invention because it does not allow the different injection and acceleration parameters to be optimized separately. However, it has the advantage of being very simple to implement because it does not require any alignment between several beams and no fine temporal control between different pulses.
  • the first variant of the invention is more complex to implement than the second variant of the invention because it requires the alignment of two pulses IL1, IL2 and fine control of the time delay At between these pulses (see further away). However, it is preferred compared to the second variant because it allows better control of the injection and acceleration parameters, for example via the time delay At between the pre-pulse and the main pulse or even the temporal contrast of the main impulse.
  • the laser system SL is adapted so that the temporal contrast of the main pulse is greater than 10 8 , preferably greater than 10 10 during generation dense MP plasma.
  • the choice of such a temporal contrast is preferred for an intensity of the focused laser beam FF greater than 10 18 IV/cm 2 on the target, so that the pedestal of the temporal profile of the main pulse does not present sufficient intensity to ionize the solid target between a few picoseconds to a few nanoseconds before the peak intensity of the main pulse.
  • the laser system SL is adapted so that the temporal contrast of the pre-pulse is also greater than 10 8 , preferably greater than 10 10 during the generation of the dense plasma MP.
  • the choice of such a temporal contrast ensures that the foot of the temporal profile of the pre-pulse does not present sufficient intensity to ionize the solid target between a few picoseconds to a few nanoseconds before the main pulse. This prevents the dense plasma from extending towards the vacuum according to an exponential density profile on a scale length L greater than a wavelength ⁇ 2 of the main pulse, before the reflection of the pulse main IL2 on dense plasma MP.
  • the method of the first variant comprises a step prior to steps A and B, of increasing the temporal contrast of the main pulse (and possibly the pre-pulse) by reflection on one or several additional plasma mirrors in order to guarantee that the temporal contrast of the main pulse (and of the pre-pulse if applicable) is greater than 10 8 , preferably greater than 10 10 .
  • Increasing the temporal contrast of a laser pulse using a plasma mirror is a method well known to those skilled in the art (see for example, Lévy, Anna, et al. "Double plasma mirror for ultrahigh temporal contrast ultraintense laser pulses.” Optics letters 32.3 (2007): 310-312).
  • the laser system SL and the optical system SO are adapted so that the time delay At is sufficiently low so that the length d
  • the scale L of the dense plasma gradient is less than a wavelength ⁇ 2 of the main pulse IL2.
  • controlling the time delay At allows precise control of the scale length L of the gradient of the dense plasma MP during the reflection of the IL2 pulse on the latter. Indeed, after the generation of dense plasma by IL1 and during the delay At before the arrival of IL2, the plasma expands towards vacuum (according to the normal n to the dense plasma MP) at a speed ranging from a few nm/ps at a few 100 nm/ps. However, the higher the delay, the greater the scale length L of the gradient of the dense plasma MP and the easier it is to extract electrons from the dense plasma MP during the reflection of the IL2 pulse on the latter to speed them up.
  • the method of the invention comprises a step of adjusting the time delay At in order to optimize the charge of the packet of electrons injected into the wake.
  • This time delay At can for example be controlled via a delay line on the optical path of the main pulse IL2.
  • the time delay At is between 50 fs and 200 ps, preferably 100 fs and 50 ps. Indeed, through simulations and experiments, the inventors realized that this range is optimal to allow the injection and acceleration of a high charge into the laser wake.
  • This range of time delay At between 50 fs and 200 ps corresponds (depending on the energy of the pre-pulse IL1) to a scale length L between ⁇ 2 /40 and ⁇ 2 /5 respectively.
  • Figure 4A is a graphical representation of a spectrum of the FE electron beam generated by the system of the invention. The energy of the electron bunch is represented on the abscissa and the charge of the electrons on the ordinate.
  • Figure 4B is a graphical representation of 5 EB packet spectra generated by the system of the invention for 5 different IL2 pulses under the aforementioned conditions.
  • Figure 4B clearly illustrates the fact that the EB bunches are stable for an energy of 180 MeV with an energy dispersion less than 10% and for a charge of 17 pC per bunch.
  • the method implemented in the first variant of the invention comprises a step, prior to steps A and B, of generating the first and the second laser pulse from the same laser pulse called initial.
  • system 1 includes an optical element (typically either a 95%/5% semi-reflective blade or a “sub-mirror” smaller than the laser beam to select only a sub-part) separating the The initial pulse in two pulses: the pre-pulse IL1 and the main pulse IL2.
  • the main pulse IL2 is then focused by the optical system SO with a time delay At, typically controlled by a delay line in the optical path of the main pulse IL2.
  • This embodiment has the advantage of allowing the use of a single laser in system 1 of the invention.
  • the IL1 and IL2 pulses are generated from two different laser sources. Furthermore, in the first variant of the invention, it is not necessary for the IL1 and IL2 pulses to have the same wavelength although this may be preferable in order to be able to use the same optical components (mirrors, parabolas or lenses) of the optical system SO in order to be able to focus these pulses.
  • the optical path of the laser beam is carried out under high vacuum (pressure less than 10 -3 mbar), preferably under ultra-high vacuum (pressure less than 10 -6 mbar), at least from the point where it is focused by the SO optical system to avoid any non-linear effect during the propagation of the laser beam.
  • the system 1 comprises one or more primary pumps and one or more turbomolecular pumps in order to obtain this high or primary vacuum.
  • the angle of incidence of the pre-pulse IL1 on the target CS and of the main pulse IL2 on the dense plasma MP does not exceed 75° for prevent their respective focal spot from being too spread out on the surface of the solid target CS, thus reducing the peak amplitude of the electric field induced by these pulses.
  • Figure 5 illustrates a first embodiment of the invention in which system 1 comprises a GN gas nozzle connected to a gas tank (not shown).
  • the gas nozzle is adapted to deliver a jet of gas GJ configured to form the gas layer CG.
  • This first embodiment has the advantage of being simple to implement.
  • Figure 6 illustrates a particular embodiment of the embodiment of Figure 5 in which the system further comprises a CG gas cell sealed or partially sealed by the target CS.
  • the walls of the gas cell are impermeable to the gas delivered into the gas cell by the GN gas nozzle and include two openings, one to let the incident laser beam pass, the other to let out the reflected beam and the accelerated electrons .
  • the target forms a wall which makes the gas cell partially hermetic to the gas, which makes it possible to considerably reduce the gas leak in system 1.
  • This makes it possible, among other things, to put less strain on the primary pumps and the turbomolecular pumps making it possible to produce the vacuum pushed or ultra-high vacuum.
  • this makes it possible to limit the propagation of the focused laser beam FF in the gas before its reflection by the dense plasma MP, which limits the non-linear effects that there may be in this very high intensity part.
  • Figure 7 illustrates a particular embodiment of the embodiment of Figure 6, in which the target CS is formed by a portion of ribbon which unwinds from a coil BR, so as to be renewed by a shot at another.
  • the cell is sealed or partially sealed by the spool of BR tape.
  • the system 1 comprises a motor assembly MT adapted to unwind the ribbon in the cell, for example by translation in a direction Ü.
  • This embodiment makes it possible to easily renew the target without having to modify the alignment of the assembly, for example when the FF beam has too degraded the SS surface of the CS target where the FF beam was focused. This therefore makes it possible to have a higher repetition rate of the electron beam.
  • system 1 does not include a CG gas cell, although this results in a greater gas leak.
  • the gas tank contains helium and/or hydrogen and/or nitrogen.
  • a gas of low atomic mass such as the aforementioned gases ensures that the electrons injected in the invention come only from the dense plasma and not from the gas layer. Using gases with a larger atomic mass would indeed result in greater energy dispersion in the electron beam because there would then also be electrons injected from the gas.
  • the gas nozzle is adapted so that an average pressure in the gas layer CG is between 0.1 atm and 200 atm, preferably between 0.5 atm and 50 atm.
  • This pressure is adjusted according to the desired electron beam energy. Indeed, a relatively lower pressure makes it possible to obtain a relatively higher energy and a higher charge because in this case the bubble in the wake of the laser pulse is larger, which allows a greater number of electrons to be trapped.

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Abstract

Procédé d'accélération d'électrons par interaction laser-plasma dans lequel au moins une impulsion laser est dirigée sur une surface (SS) d'une cible à l'état condensé (CS), ladite surface étant recouverte d'une couche de gaz (CG), l'intensité de ladite au moins une impulsion étant suffisante pour : - dans une étape A, générer, à partir de la cible à l'état condensé, un plasma dense; - dans une étape B, après réflexion par le plasma dense, générer un sillage dans la couche de gaz; - dans une étape C, chauffer les électrons dudit plasma dense à une énergie telle qu'un paquet desdits électrons soit injecté dans ledit sillage pour y être accéléré, ladite impulsion, ou au moins l'impulsion destinée à être réfléchie par le plasma dense et à chauffer les électrons de ce dernier, étant en incidence oblique en polarisation s sur ladite cible.

Description

DESCRIPTION
Titre de l'invention : Procédé et système d’accélération d’électrons par interaction laser- plasma
Domaine technique :
[0001] La présente invention concerne un procédé et un système d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma. Elle concerne notamment le domaine l’accélération d’électrons à l’aide de lasers femtosecondes allant de la classe térawatt (TW) jusqu’à la classe multi-PW (pétawatt) par un mécanisme de sillage laser (Laser WakeField Acceleration ou LWFA en anglais).
Technique antérieure :
[0002] L'accélération d’électrons à des énergies relativistes sur de très courtes distances à l'aide de lasers est un objectif de longue date en physique et présente un grand intérêt fondamental. En effet, ce mécanisme d’accélération permet notamment de reproduire et de comprendre des processus physiques que l'on ne peut trouver que dans des scénarios astrophysiques extrêmes. Il permet en outre de réaliser des accélérateurs beaucoup plus compacts que les accélérateurs conventionnels pour la physique des hautes énergies et la médecine.
[0003] En focalisant des impulsions délivrées par des lasers femtosecondes allant de la classe TW jusqu’à la classe multi-PW à des taches focales de quelques microns à quelques dizaines de micromètres il est possible d’obtenir des intensités supérieures à 1018 IV/cm2 produisant des champs électriques de plusieurs TV/m. Lorsque l’amplitude crête normalisée ai de l’impulsion est supérieure ou égale à 1 , l’électron oscille dans le champ laser avec une dynamique relativiste. C’est-à-dire que la vitesse de cet électron est proche de la vitesse de la lumière. eEî
[0004] Pour rappel, l’amplitude crete normalisée, ai est definie par : ai = — me(D —1c avec e et me la charge et la masse de l’électron, respectivement, EL l’amplitude crête de l’impulsion (exprimée en V/m), la fréquence angulaire du laser et c la vitesse de la lumière. Pour une longueur d’onde 2 = 1 [im, on a a > 1 pour une intensité supérieure à 1018 W/cm2
[0005] Si un échantillon de matière est placé au foyer du laser, les champs électriques extrêmes ionisent la matière de manière quasi-instantanée et forment un plasma ultra-relativiste, les électrons étant accélérés à une vitesse proche de celle de la lumière sur des échelles de temps inférieures à une fs. Ceci permet l'étude d'une physique ultra-relativiste, hors d'équilibre et hautement non-linéaire, appelée "physique à ultra-haute intensité".
[0006] Il existe plusieurs moyens de permettre l’accélération d’électrons par de tels champs lasers.
[0007] Parmi les différentes méthodes existantes, l'accélération laser dans le vide (Vacuum Laser Acceleration ou VLA en anglais) a suscité un intérêt considérable et a fait l'objet d'études théoriques approfondies en raison de son apparente simplicité. Dans cette méthode, les électrons interagissent avec un champ laser intense, dans le vide, et peuvent être accélérés en continu, à condition de rester dans une phase donnée du champ jusqu'à ce qu'ils s'échappent du faisceau laser. Dans la méthode VLA, le champ laser lui-même délivre des champs électriques de plusieurs TV/m qui peuvent en principe accélérer les électrons à des vitesses relativistes sur la longueur de Rayleigh du laser. Jusqu'à récemment, la méthode VLA a été essentiellement étudiée d'un point de vue théorique car les conditions nécessaires pour injecter correctement des électrons dans le champ laser étaient extrêmement difficiles. En effet, le paquet d'électrons injecté doit être ultra-court (bien plus court qu'une période laser <3fs) et injecté à une phase d'accélération très précise avec une précision sub-fs.
[0008] La faisabilité de cette méthode d’injection à l’aide d’un miroir plasma relativiste a été démontrée dans le document Thévenet, M., et al. "Vacuum laser acceleration of relativistic electrons using plasma mirror injectors." Nature Physics 12.4 (2016): 355-360, ci-après « Thévenet, étal. ». La figure 1A illustre schématiquement le principe de cette technique. Une impulsion laser incidente en polarisation p ultra-brève (~25 fs) est focalisée avec une intensité supérieure à 1018 IV/cm2 sur un miroir plasma qui est réfléchissant pour le champ de l’impulsion laser incidente. Le miroir plasma est généré sous vide en ionisant une cible initialement solide par une pré-impulsion laser focalisée à une intensité supérieure à 1016 W / cm2. Sous l’effet de ce champ laser, le « miroir plasma » ainsi formé oscille à des vitesses relativistes à la période laser. Lors de la réflexion sur la surface du miroir de plasma, le champ E de l’impulsion laser incidente éjecte des électrons de la surface du miroir de plasma et l’injecte dans le champ laser réfléchi. La charge injectée est ensuite accélérée par le champ électrique ultra-intense de l’impulsion laser.
[0009] Malheureusement, cette méthode présente le désavantage de fournir des faisceaux d’électrons de mauvaise qualité. Plus précisément, les faisceaux d’électrons produits par VLA présentent une divergence élevée (plus de 500 mrad) et une forte dispersion d'énergie, ce qui rend cette méthode inutilisable pour certaines applications. En outre, l'énergie maximale du mécanisme de VLA évolue en racine carrée de la puissance laser P, ce qui n'en fait pas un bon candidat pour atteindre des énergies élevées (voir Zaïm, M. Thévenet, A. Lifschitz, and J. Faure, “Relativistic Acceleration of Electrons Injected by a Plasma Mirror into a Radially Polarized Laser Beam,” Phys. Rev. Lett., vol. 119, no. 9, p. 094801 , Aug. 2017, doi: 10.1103/PhysRevLett.119.09480).
[0010] Une autre technique connue de l’homme du métier (voir notamment le document E. Esarey, C. B. Schroeder, and W. P. Leemans « Physics of laser- driven plasma-based electron accelerators”, Reviews Of Modem Physics, Volume 81 , juillet - septembre 2009) pour accélérer des électrons par interaction laser-plasma est le mécanisme de sillage laser (Laser WakeField Acceleration ou LWFA en anglais). La figure 1 B est une représentation schématique du fonctionnement de ce mécanisme. Dans la méthode LWFA, un laser délivre des impulsions ultra-brèves qui sont focalisées dans un gaz avec une intensité élevée, typiquement supérieure à 1018 W jcm2. Au foyer du laser, le gaz est ionisé de manière quasi-instantanée par le champ laser ultra-intense et forme un plasma "sous-dense", de densité électronique typiquement comprise entre 1017 cm"3 et 102° cm"3. Un plasma est dit «sous-dense », lorsque la fréquence plasma, proportionnelle à la racine carrée de la densité, est inférieure à la fréquence du laser. Pour des intensités laser supérieures à 1018 LF /cm2, l'impulsion laser (via la force podéromotrice qu’elle entraine) expulse violemment les électrons de sa trajectoire pendant sa propagation et forme une " bulle " vide d'électrons dans son sillage, qui peut supporter de grands champs accélérateurs de l'ordre de 100 GV/m. Certains électrons du plasma peuvent alors être piégés dans cette bulle et être accélérés à des vitesses relativistes sur des longueurs de quelques millimètres à quelques centimètres.
[0011] Ce mécanisme de LWFA permet l'accélération d'électrons jusqu'à 8 GeV à l'échelle du cm (voir A. J. Gonsalves et al., “Petawatt Laser Guiding and Electron Beam Acceleration to 8 GeV in a Laser-Heated Capillary Discharge Waveguide,” Phys. Rev. Lett., vol. 122, no. 8, p. 084801 , Feb. 2019, doi:
10.1103/PhysRevLett.122.084801 ). C’est pourquoi, il est considéré comme l'un des candidats les plus prometteurs pour construire la prochaine génération d'accélérateurs de particules compacts dédiés à la physique des hautes énergies. À l'heure actuelle, le dispositif de type LWFA peuvent déjà fournir des faisceaux d'électrons de haute qualité : ultra-courts (quelques fs), de petite taille (échelle pm), de faible divergence, et de faible dispersion en énergie (quelques %).
Cependant, les dispositifs de type LWFA souffrent actuellement d'une charge par paquet d’électrons (electron bunch en anglais) relativement faible à haute énergie (une dizaine de pC à quelques GeV).
[0012] Aussi, se pose le problème d’augmenter la charge par paquet d’électrons obtenu par LWFA tout en conservant sa bonne qualité en termes de brièveté, dimension spatiale, divergence, et dispersion en énergie.
[0013] La production de tels faisceaux à haute charge est cruciale pour de nombreuses applications comme la radiothérapie à très haut débit de dose, les lasers à électrons libres à rayons X compacts ou encore la prochaine génération de collisionneurs de particules basés sur système laser multi-PW.
[0014] A cet effet, un objet de l’invention est un procédé et un système d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma basés sur le mécanisme de sillage laser. Contrairement aux dispositifs de type LWFA de l’art antérieur, l’injection des électrons est effectuée à partir de la réflexion d’une impulsion laser ultra-brève dirigée en incidence oblique et en polarisation s sur un plasma dense préalablement généré, moyennant quoi un sillage laser est généré ensuite au sein du gaz. L’impulsion laser chauffe les électrons du plasma dense à une énergie telle qu’un paquet des électrons est injecté dans le sillage pour y être accéléré. Ainsi, il est possible d’obtenir un faisceau d’électrons avec des paquets d’électrons ultra-brefs et présentant une divergence faible, une charge importante pour une énergie élevée et une faible dispersion de l’énergie.
[0015] Par rapport aux dispositifs de type LWFA de l’art antérieur, l’invention permet d’augmenter considérablement la charge du paquet d’électron tout en maintenant une qualité de faisceau d’électrons optimale. Par rapport aux dispositifs de type VLA, l’invention permet d’améliorier notablement la qualité du faisceau d’électrons (divergence et dispersion de l’énergie).
Résumé de l’invention :
[0016] A cet effet, un objet de l’invention est un procédé d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma dans lequel au moins une impulsion laser est dirigée sur une surface d’une cible à l’état condensé, ladite surface étant recouverte d’une couche de gaz, l’intensité de ladite au moins une impulsion étant suffisante pour :
- dans une étape A, générer, à partir de la cible à l’état condensé, un plasma dense ;
- dans une étape B, après réflexion par le plasma dense, générer un sillage laser dans la couche de gaz ;
- dans une étape C, chauffer les électrons dudit plasma dense à une énergie telle qu’un paquet desdits électrons soit injecté dans ledit sillage pour y être accéléré, ladite impulsion, ou au moins l’impulsion destinée à être réfléchie par le plasma dense et à chauffer les électrons de ce dernier, étant en incidence oblique en polarisation s sur ladite cible.
[0017] Dans une première variante du procédé de l’invention, la génération du plasma dense en étape A est induite par une desdites au moins une impulsion laser dite pré-impulsion et les étapes B et C sont induites par une desdites au moins une impulsion laser dite impulsion principale, dans l’étape B, ladite impulsion principale est superposée spatialement à la pre-impulsion et présente un retard temporel par rapport à la pre-impulsion.
[0018] De manière préférentielle, dans cette première variante : - ledit retard temporel est suffisamment faible pour qu’une longueur d'échelle du gradient du plasma dense soit inférieure à une longueur d’onde de l’impulsion principale, et/ou
- ledit retard temporel est compris entre 50 fs 200 ps
[0019] De manière préférentielle, dans cette première variante, le procédé comprend une étape de réglage dudit retard temporel de manière à optimiser une charge dudit paquet d’électron injecté dans ledit sillage.
[0020] De manière préférentielle, dans l’étape A de cette première variante, l’intensité de la pre-impulsion est supérieure à 1015 W / cm2 sur ladite surface et, dans l’étape B, l’intensité de l’impulsion principale est supérieure à 1018 W /cm2 après réflexion par ledit plasma dense.
[0021] De manière préférentielle, dans cette première variante, le procédé comprend une étape préalable aux étapes A et B de génération de la pre-impulsion et de l’impulsion principale à partir d’une même impulsion laser dite initiale.
[0022] De manière préférentielle, dans cette première variante, le procédé comprend une étape préalable aux étapes A et B, d’augmentation du contraste temporel de l’impulsion principale par réflexion sur un ou plusieurs miroirs plasmas additionnels.
[0023] De manière préférentielle, dans le procédé de l’invention, une pression moyenne dans la couche de gaz est comprise entre 0.1 atm et 200 atm, préférentiellement comprise entre 0.5 atm et 50 atm
[0024] Un autre objet de l’invention est un système d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma comprenant :
- une cible à l’état condensé recouverte d’une couche de gaz,
- un système laser adapté pour générer au moins une impulsion laser
- un système optique adapté pour diriger ladite au moins une impulsion laser sur une surface (SS) de la cible à l’état condensé
- le système laser et le système optique étant en outre configurés de telle sorte que l’intensité de ladite au moins une impulsion soit suffisante pour : • générer, à partir de la cible à l’état condensé, un plasma dense;
• après réflexion par le plasma dense, générer un sillage dans la couche de gaz ;
• chauffer les électrons dudit plasma dense à une énergie telle qu’un paquet desdits électrons soit injecté dans ledit sillage pour y être accéléré le système optique étant en outre adapté pour que ladite impulsion, ou au moins l’impulsion, destinée à être réfléchie par le plasma dense et à chauffer les électrons de ce dernier, soit en incidence oblique en polarisation s sur ladite cible.
[0025] De manière préférentielle, selon une première variante, le système laser et le système optique sont configurés pour :
- Générer une première dite impulsion, dite pré-impulsion, et la diriger vers la cible pour générer ledit plasma dense,
- Générer une seconde dite impulsion, dite impulsion principale, et la diriger vers la cible pour générer ledit sillage dans la couche de gaz et induire ledit chauffage des électrons dudit plasma dense,
- ladite impulsion principale, lors de sa réflexion par le plasma dense, étant superposée spatialement à la pre-impulsion.
[0026] De manière préférentielle, dans cette première variante, ledit système laser est adapté pour que le contraste temporel de l’impulsion principale soit supérieur à 108, préférentiellement supérieur à 1O10.
[0027] De manière préférentielle, le système de l’invention comprend un bec de gaz relié à un réservoir de gaz, le bec de gaz étant adapté pour délivrer un jet de gaz configuré pour former la couche de gaz. De manière encore préférentielle, le système de l’invention comprend une cellule de gaz scellée ou partiellement scellée par la cible, le bec de gaz étant adapté pour délivrer le jet de gaz dans la cellule de gaz. De manière encore préférentielle, la cible est formée par une portion de ruban qui se déroule d’une bobine, ledit système comprenant un ensemble moteur adapté pour dérouler ledit ruban dans la cellule. [0028] De manière préférentielle, dans le système de l’invention, le réservoir de gaz comprend de l’hélium et/ou de l’hydrogène et/ou de l’azote.
[0029] De manière préférentielle, dans le système de l’invention, le bec de gaz est adapté pour qu’une pression moyenne dans la couche de gaz soit comprise entre 0.1 atm et 200 atm, préférentiellement comprise entre 0.5 atm et 50 atm.
Brève description des figures :
[0030] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
[0031] [Fig.lA] et [Fig.1 B], une illustration schématique des méthodes connues de l’art pour accélérer des électrons par interaction laser-plasma dans le vide et par mécanisme de sillage laser respectivement,
[0032] [Fig.2], un schéma de principe du système selon une variante préférée de l’invention,
[0033] [Fig.3], trois représentations instantanées a, b et c d’une simulation de code PIC, obtenues à différents instants du procédé selon la variante préférée de l’invention,
[0034] [Fig.4A] une représentation graphique d’un spectre du faisceau d’électrons généré par le système de l’invention obtenu par simulation,
[0035] [Fig.4B] une représentation graphique d’un résultat expérimental : un spectre du faisceau d’électrons généré par le système de l’invention
[0036] [Fig.5], une représentation schématique d’un système selon un premier mode de réalisation de l’invention,
[0037] [Fig.6], une représentation schématique du système selon un deuxième mode de réalisation de l’invention,
[0038] [Fig.7], une représentation schématique du système selon un troisième mode de réalisation de l’invention,
[0039] Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle.
Description détaillée : [0040] La figure 2 illustre schématiquement un système 1 selon une première variante préférée de l’invention pour accélérer des électrons par interaction laser- plasma. Il se compose principalement d’un système laser SL, pour délivrer un faisceau laser initial Fl portant une première impulsion dite pré-impulsion IL1 et une deuxième impulsion dite impulsion principale IL2, et d’un système optique SO pour focaliser ces impulsions IL1 , IL2 sur une cible à l’état solide CS (plus généralement à l’état condensé, l’utilisation d’une cible liquide étant également possible). Le faisceau Fl est focalisé par le système optique SO sur une surface SS de la cible CS de manière à former un faisceau laser focalisé FF. Dans l’invention, la surface SS de la cible CS est recouverte d’une couche de gaz CG.
[0041] Le système laser SL et le système optique SO sont adaptés pour que l’intensité de la pré-impulsion IL1 soit suffisante pour, dans une étape A, générer un plasma dense MP à la surface SS de la cible en ionisant la cible CS. De manière préférentielle, l’intensité de la pre-impulsion IL1 est supérieure à 1015 IV/cm2 sur la surface SS afin de pouvoir ioniser la cible CS et ainsi générer le plasma dense MP. L’intensité en W /cm2 mentionnée ici et dans la suite du document correspond ici à l’intensité crête de l’imulsion IL1 ou IL2 au niveau de la surface où est focalisée l’impulsion IL1 ou IL2.
[0042] Par « plasma dense », on entend ici que la densité électronique ne du plasma est telle que la fréquence plasma ÙP = (£o étant la permittivité électrique du
Figure imgf000011_0001
vide) est supérieure à la fréquence de l’impulsion laser destinée à être réfléchie par le plasma dense MP (c’est-à-dire l’impulsion principale IL2). Cette condition permet la réflexion de l’impulsion principale IL2 sur le plasma dense MP dans une étape ultérieure à l’étape A. Sinon, l’impulsion laser se propagerait dans le plasma au lieu d’être réfléchie par ce dernier.
[0043] En outre, le système laser SL et le système optique SO sont adaptés pour que l’intensité de l’impulsion principale IL2 soit suffisante pour :
- dans une étape B, après réflexion par le plasma dense MP, générer un sillage laser WF dans la couche de gaz. Le faisceau laser réfléchi par le plasma dense MP est noté par la référence FR dans la figure 2. Ce sillage est similaire à celui détaillé plus haut pour la description de la figure 1 B. - dans une étape C, chauffer les électrons du plasma dense à une énergie telle qu’un paquet EB des électrons soit injecté dans le sillage WF pour y être accéléré. Ainsi, la réflexion du faisceau FF sur le plasma dense MP génère un faisceau d’électrons FE. L’énergie minimale permettant l’injection est typiquement 100 keV.
[0044] Dans la première variante de l’invention il est nécessaire que l’impulsion principale IL2 soit focalisée vers la cible CS en incidence oblique et en polarisation s pour des raisons qui seront expliquées plus loin. De plus, comme expliqué plus haut, la fréquence plasma
Figure imgf000012_0001
du plasma généré par la pré-impulsion L1 doit être supérieure à la fréquence de l’impulsion principale IL2, notée o2 afin de permettre la réflexion de l’impulsion principale IL2 sur le plasma dense MP. Enfin, il est nécessaire que l’impulsion principale IL2, lors de sa réflexion par le plasma dense, soit superposée spatialement à la pré-impulsion IL1 pour optimiser l’éjection des électrons depuis le plasma dense MP. On note At le retard temporel de l’impulsion principale IL2 lorsqu’elle est focalisée sur le plasma dense par rapport à la pre- impulsion IL1 lorsqu’elle génère le plasma dense.
[0045] Dans les dispositifs de type VLA de l’art antérieur (par exemple Thévenet, et al.), l’injection est provoquée par le champ E laser présent selon la direction normale n à la surface du miroir plasma qui « arrache » les électrons du miroir et les injecte dans le champ E laser dans une zone où le champ électrostatique plasma ne permet pas une accélération. Cela génère un faisceau d’électrons FE de mauvaise qualité (divergence élevée et forte dispersion de l'énergie).
[0046] Dans l’invention, le mécanisme d’injection est différent. En effet, de manière critique, l’impulsion laser principale IL2, destinée à être réfléchie par le plasma dense (et à chauffer les électrons de ce dernier), est dirigée en incidence oblique et en polarisation s sur la cible CS. De ce fait, il n’existe donc pas de champ E selon la direction normale n à la surface du plasma dense MP. Dans l’invention, l’injection est provoquée en deux étapes : tout d’abord par le chauffage des électrons du plasma dense par le biais de l’impulsion laser lorsqu’elle se réfléchit sur le plasma dense. Ensuite, une partie de ces électrons chauffés à une énergie suffisante sont alors piégés dans le champ électrostatique de la bulle du sillage laser avec une phase adaptée pour y être accélérés sur des longueurs de plusieurs millimètres à quelques centimètres.
[0047] Grâce à la densité électronique élevée du plasma dense MP, ce mécanisme permet une injection d’une charge élevée d’électrons de quelques MeV à une dizaine de MeV avec une énergie laser modeste (typiquement supérieure à 10 pC avec quelques centaines de millijoules), et préférentiellement supérieure à 100 pC, voire 1 nC, pour une énergie laser élevée de plusieurs joule à dizaines de joules. De manière critique, les paquets d’électrons EB sont injectés avec une phase appropriée dans la bulle du sillage laser, ce qui permet l’obtention d’un faisceau d’électron FE de bonne qualité (faible divergence et faible dispersion énergétique) avec des énergie de plusieurs centaines de MeV à quelques GeV à la fin de l’accélération par sillage.
[0048] Ainsi, il est possible d’obtenir un faisceau d’électrons FE avec des paquets ultra-brefs et présentant une divergence faible, une charge importante pour une énergie élevée et une faible dispersion de l’énergie. Par rapport aux dispositifs de type LWFA de l’art antérieur (voir figure 1 B), l’invention permet donc d’augmenter considérablement la charge du paquet d’électron tout en maintenant une qualité de faisceau optimale. En effet, la densité électronique du plasma dense est beaucoup plus importante que celle du gaz ionisé. Par rapport aux dispositifs de type VLA (voir figure 1 A), l’invention permet donc d’améliorier notablement la qualité du faisceau d’électrons (divergence et dispersion de l’énergie) car les électrons sont injectés à l’arrière de la bulle du sillage dans l’invention.
[0049] La figure 3 regroupe trois représentations instantanées a, b et c d’une simulation de code PIC (méthode Particle In Cell en anglais, connue de l’art), chacune des représentations étant obtenue à différents instants du procédé de l’invention selon la deuxième variante de l’invention. Les trois représentations instantanées a, b et c de la figure 3 illustrent la propagation de l’impulsion principale IL2 à différents instants. En niveau de gris clair est représenté la densité électronique DE du plasma au sein des couches gazeuse CG en dense MP et en niveau de gris plus sombre est représenté le champ laser de l’impulsion IL2. La représentation instantanée a) illustre le champ laser de l’impulsion IL2 avant sa réflexion sur le plasma dense MP ayant déjà ionisé le gaz sur son trajet. La représentation instantanée b) illustre le champ laser de l’impulsion IL2 pendant sa réflexion sur le plasma dense MP. Enfin, la représentation instantanée c) illustre le champ laser de l’impulsion IL2 après sa réflexion sur le plasma dense MP. Dans la représentation instantanée c), on observe de plus le mécanisme de sillage laser accélérant un paquet d’électrons EB, l’injection de ce paquet dans ce sillage laser ayant été permise par le chauffage des électrons du plasma dense MP par l’impulsion IL2.
[0050] Pour les étapes B et C, il est préférable que l’impulsion principale IL2 provoquant le chauffage des électrons et générant le sillage présente une intensité supérieure à 1018 W /cm2 lors de sa réflexion par le plasma dense MP. Cela permet l’obtention d’un champ laser suffisant pour permettre le mécanisme de sillage et pour provoquer une accélération des électrons à des énergies de plusieurs centaines de MeV pour une charge typiquement supérieure à 10 pC, préférentiellement supérieure à 100 pC. En général, pour atteindre de telles intensités, il est nécessaire que le système optique SO focalise fortement le faisceau FF, typiquement à des taches focales de quelques jim de diamètre.
[0051] Selon une deuxième variante de l’invention, différente de celle illustrée dans la figure 2, le système laser SL est adapté pour délivrer une seule impulsion laser. Dans cette deuxième variante, le système laser SL et le système optique SO sont adaptés pour que l’impulsion IL0 présente une intensité telle que le front temporel montant de l’impulsion ionise la cible CS et génère le plasma dense MP et pour que l’impulsion IL0 génère le sillage dans la couche de gaz et induise le chauffage des électrons du plasma dense provoquant l’injection. Comme précisé plus haut, il est préférable que l’impulsion IL0 présente une intensité supérieure à 1018 W /cm2 lors de sa réflexion par le plasma dense pour permettre une accélération des électrons à des énergies de plusieurs centaines de MeV. Dans cette deuxième variante, il est nécessaire que l’impulsion IL0 soit focalisée vers la cible en incidence oblique et en polarisation s afin de permettre une injection uniquement via le chauffage des électrons du plasma.
[0052] Cette deuxième variante n’est pas la variante préférée de l’invention car elle ne permet pas d’optimiser séparément les différents paramètres d’injection et d’accélération. Elle présente cependant l’avantage d’être très simple à mettre en œuvre car elle ne nécessite aucun alignement entre plusieurs faisceaux et aucun contrôle temporel fin entre différentes impulsions. [0053] La première variante de l’invention est plus complexe à mettre en œuvre que la deuxième variante de l’invention car elle nécessite l’alignement de deux impulsions IL1 , IL2 et le contrôle fin du retard temporel At entre ces impulsions (voir plus loin). Elle est cependant préférée par rapport à la deuxième variante car elle permet de mieux contrôler les paramètres d’injection et d’accélération, par exemple via le retard temporel At entre la pré-impulsion et l’impulsion principale ou encore le contraste temporel de l’impulsion principale.
[0054] En effet, de manière préférentielle, dans la première variante de l’invention, le système laser SL est adapté pour que le contraste temporel de l’impulsion principale soit supérieur à 108, préférentiellement supérieur à 1O10 lors de la génération du plasma dense MP. Le choix d’un tel contraste temporel est préféré pour une intensité du faisceau laser focalisé FF supérieure à 1018 IV/cm2 sur la cible, de sorte que le piédestal du profil temporel de l’impulsion principale ne présente pas une intensité suffisante pour ioniser la cible solide entre quelques picosecondes à quelques nanosecondes avant le pic d’intensité de l'impulsion principale. Cela permet d’éviter que le plasma dense s'étende vers le vide selon un profil de densité exponentiel sur une longueur d’échelle L supérieure à une longueur d’onde Â2 de l’impulsion principale, avant la réflexion du pic d’intensité de l’impulsion principale IL2 sur le plasma dense MP. Si on avait L > Â2 avant la réflexion du pic d’intensité de l’impulsion principale IL2 sur le plasma dense MP, les propriétés spatiotemporelles du faisceau réfléchi FR par le plasma dense MP seraient trop fortement dégradées pour permettre l’accélération des électrons par mécanisme de sillage.
[0055] De même, de manière encore préférentielle, le système laser SL est adapté pour que le contraste temporel de la pre-impulsion soit lui aussi supérieur à 108, préférentiellement supérieur à 1010 lors de la génération du plasma dense MP. Ici aussi, le choix d’un tel contraste temporel assure que le pied du profil temporel de la pré-impulsion ne présente pas une intensité suffisante pour ioniser la cible solide entre quelques picosecondes à quelques nanosecondes avant l'impulsion principale. Cela permet d’éviter que le plasma dense s'étende vers le vide selon un profil de densité exponentiel sur une longueur d’échelle L supérieure à une longueur d’onde Â2 de l’impulsion principale, avant la rélexion de l’impulsion principale IL2 sur le plasma dense MP. [0056] Aussi, de manière préférentielle, le procédé de la première variante comprend une étape préalable aux étapes A et B, d’augmentation du contraste temporel de l’impulsion principale (et éventuellement de la pré-impulsion) par réflexion sur un ou plusieurs miroirs plasmas additionnels afin de garantir que le contraste temporel de l’impulsion principale (et de la pré-impulsion le cas échéant) soit supérieur à 108, préférentiellement supérieur à 1O10. L’augmentation du contraste temporel d’une impulsion laser à l’aide d’un miroir plasma est une méthode bien connue de l’homme de l’art (voir par exemple, Lévy, Anna, et al. "Double plasma mirror for ultrahigh temporal contrast ultraintense laser pulses." Optics letters 32.3 (2007): 310-312).
[0057] De manière préférentielle, selon un mode de réalisation préféré de la première variante de l’invention, noté MD, le système laser SL et le système optique SO sont adaptés pour que le retard temporel At soit suffisamment faible pour que la longueur d'échelle L du gradient du plasma dense soit inférieure à une longueur d’onde Â2 de l’impulsion principale IL2. Comme explique plus haut, cela permet de garantir que les propriétés spatiotemporelles du faisceau réfléchi FR par le plasma dense MP soient suffisamment bonnes pour permettre l’accélération des électrons.
[0058] D’une manière plus générale, le contrôle du retard temporel At permet un contrôle précis de la longueur d'échelle L du gradient du plasma dense MP lors de la réflexion de l’impulsion IL2 sur ce dernier. En effet, après la génération du plasma dense par IL1 et pendant le retard At avant l’arrivée d’IL2, le plasma se dilate vers le vide (selon la normale n au plasma dense MP) à une vitesse allant de quelques nm/ps à quelques 100 nm/ps. Or, plus le retard est élevé, plus la longueur d’échelle L du gradient du plasma dense MP est grande et plus il est aisé d’extraire des électrons du plasma dense MP lors de la réflexion de l’impulsion IL2 sur ce dernier pour les accélérer. Aussi, de manière préférentielle, le procédé de l’invention comprend une étape de réglage du retard temporel At afin d’optimiser la charge du paquet d’électrons injecté dans le sillage. Ce retard temporel At peut par exemple être contrôlé par le biais d’une ligne à retard sur le trajet optique de l’impulsion principale IL2.
[0059] De manière encore préférentielle, dans le mode de réalisation MD, le retard temporel At est compris entre 50 fs et 200 ps, préférentiellement 100 fs et 50 ps. En effet, par le biais de simulations et d’expériences, les inventeurs ont réalisés que cette gamme est optimale pour permettre l’injection et l’accélération d’une charge élevée dans le sillage laser. Cette gamme de retard temporel At entre 50 fs et 200 ps correspond (suivant l’énergie de la pre-impulsion IL1) à une longueur d’échelle L entre ~Â2/40 et ~Â2/5 respectivement. Par le choix d’un retard temporel At compris entre 50 fs et 200 ps, les inventeurs ont observés par simulation qu’il est possible d’obtenir une injection d’un paquet d’électrons EB très localisé dans le sillage WF avec une charge allant jusqu’au nC avec une impulsion principale de 10J, de 30fs, lorsque la longueur d’échelle L est de Â2/10 et que la densité du gaz est de 1018 cm’3. A titre d’exemple illustratif, la figure 4A est une représentation graphique d’un spectre du faisceau d’électrons FE généré par le système de l’invention. En abscisse est représentée l’énergie du paquet d’électrons et en ordonnée est représentée la charge des électrons. Ce spectre est obtenu par simulation après une longueur d’accélération de 1 ,5 mm pour une source laser SL délivrant des impulsions principales IL2 de 25 fs et avec une énergie de 2J. On observe que le système 1 de l’invention permet d’obtenir un paquet d’électron avec une charge de 400 pC avec une divergence de l’ordre du mrad et pour une énergie de 185 MeV et pour une faible dispersion d’énergie (environ 5 %)
[0060] Les inventeurs ont effectué des expériences avec des impulsions laser principales présentant une énergie de 450 m J avec une durée de 30 fs focalisées sur le plasma dense avec une intensité de 3.1018 W/cm2. La figure 4B est une représentation graphique de 5 spectres de paquets EB générés par le système de l’invention pour 5 impulsions IL2 différentes dans pour les conditions précités. La figure 4B illustre bien le fait que les paquets EB sont stables pour une énergie de 180 MeV avec une dispersion d’énergie inférieure à 10% et pour une charge de 17 pC par paquet.
[0061] De manière préférentielle, le procédé mis en œuvre dans la première variante de l’invention comprend une étape, préalable aux étapes A et B, de génération de la première et de la deuxième impulsion laser à partir d’une même impulsion laser dite initiale. Pour cela, le système 1 comprend un élément optique (typiquement soit une lame semi-réfléchissante 95%/5% ou un « sous-miroir » plus petit que le faisceau laser pour n’en sélectionner qu’une sous-partie) séparant l’impulsion initiale en deux impulsions : la pré-impulsion IL1 et l’impulsion principale IL2. L’impulsion principale IL2 est alors focalisée par le système optique SO avec un retard temporel At, typiquement contrôlé par une ligne à retard sur le trajet optique de l’impulsion principale IL2. Ce mode de réalisation présente l’avantage de permettre l’utilisation d’un seul laser dans le système 1 de l’invention. Alternativement, selon un autre mode de réalisation, les impulsions IL1 et IL2 sont générées à partir de deux sources lasers différentes. En outre, dans la première variante de l’invention, il n’est pas nécessaire que les impulsions IL1 et IL2 présentent la même longueur d’onde bien que cela puisse être préférable afin de pouvoir utiliser les mêmes composants optiques (miroirs, paraboles ou lentilles) du système optique SO afin de pouvoir focaliser ces impulsions.
[0062] De manière préférentielle, le trajet optique du faisceau laser est effectué sous vide poussé (pression inférieure à 10-3 mbar), préférentiellement sous ultravide (pression inférieure à 10-6 mbar), a minima à partir du point où il est focalisé par le système optique SO pour éviter tout effet non-linéaire lors de la propagation du faisceau laser. De manière connue en soi, le système 1 comprend une ou plusieurs pompes primaires et une ou plusieurs pompes turbomoléculaires afin d’obtenir ce vide poussé ou primaire.
[0063] Dans la première variante de l’invention, il est préférable que l’angle d’incidence de la pré-impulsion IL1 sur la cible CS et de l’impulsion principale IL2 sur le plasma dense MP ne dépasse pas 75° pour éviter que leur tache focale respective soit trop étalée sur la surface de la cible solide CS réduisant ainsi l’amplitude crête du champ électrique induit par ces impulsions.
[0064] La figure 5 illustre un premier mode de réalisation de l’invention dans lequel le système 1 comprend un bec de gaz GN relié à un réservoir de gaz (non représenté). Le bec de gaz est adapté pour délivrer un jet de gaz GJ configuré pour former la couche de gaz CG. Ce premier mode de réalisation présente l’avantage d’être simple à mettre en œuvre.
[0065] La figure 6 illustre un mode de réalisation particulier du mode de réalisation de la figure 5 dans lequel le système comprend en outre une cellule de gaz CG scellée ou partiellement scellée par la cible CS. Les parois de la cellule de gaz sont imperméables au gaz délivré dans la cellule de gaz par le bec de gaz GN et comprennent deux ouvertures, une pour laisser passer le faisceau laser incident, l’autre pour faire sortir le faisceau réfléchi et les électrons accélérés. Ainsi, la cible forme une paroi qui rend la cellule de gaz partiellement hermétique au gaz, ce qui permet de réduire considérablement la fuite de gaz dans le système 1. Cela permet, entre autre, de moins solliciter les pompes primaires et les pompes turbomoléculaires permettant de produire le vide poussé ou l’ultravide. De plus cela permet de limiter la propagation du faisceau laser focalisé FF dans le gaz avant sa réflexion par le plasma dense MP, ce qui limite les effets non-linéaires qu’il peut y avoir dans cette partie à très haute intensité.
[0066] La figure 7 illustre un mode de réalisation particulier du mode de réalisation de la figure 6, dans lequel la cible CS est formée par une portion de ruban qui se déroule d’une bobine BR, de manière à être renouvelée d’un tir à l’autre. La cellule est scellée ou partiellement scellée par la bobine de ruban BR. Dans ce mode de réalisation, le système 1 comprend un ensemble moteur MT adapté pour dérouler le ruban dans la cellule, par exemple par une translation selon une direction Ü. Ce mode de réalisation permet de facilement renouveler la cible sans avoir à modifier l’alignement du montage, par exemple lorsque le faisceau FF a trop dégradé la surface SS de la cible CS où était focalisé le faisceau FF. Ceci permet donc d’avoir un taux de répétition du faisceau d’électron plus élevé. Selon un mode de réalisation différent de celui illustré en figure 7, le système 1 ne comprend pas de cellule de gaz CG, bien que cela entraine une fuite de gaz plus importante.
[0067] De manière préférentielle, dans le système des modes de réalisation des figures 5 à 7, le réservoir de gaz contient de l’hélium et/ou de l’hydrogène et/ou de l’azote. L’utilisation d’un gaz de faible masse atomique comme les gaz précités permet d’assurer que les électrons injectés dans l’invention proviennent uniquement du plasma dense et non pas de la couche gazeuse. L’utilisation de gaz avec une plus grande masse atomique entraînerait en effet une dispersion d’énergie plus importante dans le faisceau d’électrons car il y aurait alors également des électrons injectés depuis le gaz.
[0068] De manière préférentielle, dans l’invention, le bec de gaz est adapté pour qu’une pression moyenne dans la couche de gaz CG soit comprise entre 0.1 atm et 200 atm, préférentiellement comprise entre 0.5 atm et 50 atm. Cette pression est ajustée en fonction de l’énergie du faisceau d’électron désirée. En effet, une pression relativement plus faible permet d’obtenir une énergie relativement plus élevée et une plus haute charge car dans ce cas la bulle dans le sillage de l’impulsion laser est plus grande ce qui permet de piéger un plus grand nombre d’électrons.
[0069] En effet, les lois d’échelle du mécanisme de LWFA montrent que pour atteindre des énergies plus élevées il est nécessaire réduire la densité du gaz. Réduire la densité de gaz permet d’augmenter la vitesse de phase de l’onde de sillage (qui dépend de la densité du gaz) et donc permet d’augmenter la distance au bout de laquelle les électrons accélérés ‘dépassent’ la bulle du sillage laser et se retrouvent freinés. Cette distance est appelée distance « dephasing length » en anglais. Cependant, baisser la densité du gaz nécessite de guider l’impulsion laser sur des distances plus grandes. Ceci peut être réalisé par ‘auto-guidage’ par effets non-linéaires dans le gaz (mais cet effet nécessite une puissance laser d’autant plus élevée que la densité du gaz est faible). Ceci peut être aussi réalisé à modifiant le profil du gaz (pour qu’il agisse comme une sorte de lentilles) à l’aide de capillaires ou d’autres techniques tout optique. Enfin, il se trouve que baisser la densité du gaz, augmente également la taille de la bulle et la charge qu’on peut théoriquement y injecter sans l’affecter.

Claims

Revendications
1 . Procédé d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma dans lequel au moins une impulsion laser (ILO) est dirigée sur une surface (SS) d’une cible à l’état condensé (CS), ladite surface étant recouverte d’une couche de gaz (CG), l’intensité de ladite au moins une impulsion étant suffisante pour :
- dans une étape A, générer, à partir de la cible à l’état condensé, un plasma dense (MP) ;
- dans une étape B, après réflexion par le plasma dense, générer un sillage laser (WF) dans la couche de gaz ;
- dans une étape C, chauffer les électrons dudit plasma dense à une énergie telle qu’un paquet (EB) desdits électrons soit injecté dans ledit sillage pour y être accéléré, ladite impulsion, ou au moins l’impulsion destinée à être réfléchie par le plasma dense et à chauffer les électrons de ce dernier, étant en incidence oblique en polarisation s sur ladite cible.
2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel :
- la génération du plasma dense en étape A est induite par une desdites au moins une impulsion laser dite pré-impulsion (IL1),
- les étapes B et C sont induites par une desdites au moins une impulsion laser dite impulsion principale (IL2),
- dans l’étape B, ladite impulsion principale est superposée spatialement à la pre-impulsion et présente un retard temporel (At) par rapport à la pre- impulsion.
3. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit retard temporel (At) est suffisament faible pour qu’une longueur d'échelle du gradient (L) du plasma dense soit inférieure à une longueur d’onde (Â2) de l’impulsion principale.
4. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel ledit retard temporel (At) est compris entre 50 fs et 200 ps. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, comprenant une étape de réglage dudit retard temporel (At) de manière à optimiser une charge dudit paquet d’électron injecté dans ledit sillage. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 5, dans laquelle, dans l’étape A, l’intensité de la pre-impulsion est supérieure à 1015 W /cm2 sur ladite surface et dans laquelle, dans l’étape B, l’intensité de l’impulsion principale est supérieure à 1018 W /cm2 après réflexion par ledit plasma dense. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, comprenant une étape préalable aux étapes A et B de génération de la pre-impulsion et de l’impulsion principale à partir d’une même impulsion laser dite initiale. Procédé selon l’une quelconque des revendications 2 à 7, comprenant une étape préalable aux étapes A et B, d’augmentation du contraste temporel de l’impulsion principale par réflexion sur un ou plusieurs miroirs plasmas additionnels. Procédé selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une pression moyenne dans la couche de gaz est comprise entre 0.1 atm et 200 atm, préférentiellement comprise entre 0.5 atm et 50 atm Système d’accélération d’électrons par interaction laser-plasma (1 ) comprenant :
- une cible à l’état condensé (CS) recouverte d’une couche de gaz (CG),
- un système laser (SL) adapté pour générer au moins une impulsion laser (IL0)
- un système optique (SO) adapté pour diriger ladite au moins une impulsion laser sur une surface (SS) de la cible à l’état condensé
- le système laser et le système optique étant en outre configurés de telle sorte que l’intensité de ladite au moins une impulsion soit suffisante pour :
• générer, à partir de la cible à l’état condensé, un plasma dense (MP) ;
• après réflexion par le plasma dense, générer un sillage (WF) dans la couche de gaz ; • chauffer les électrons dudit plasma dense à une énergie telle qu’un paquet (EB) desdits électrons soit injecté dans ledit sillage pour y être accéléré,
- le système optique étant en outre adapté pour que ladite impulsion, ou au moins l’impulsion (IL2), destinée à être réfléchie par le plasma dense et à chauffer les électrons de ce dernier, soit en incidence oblique en polarisation s sur ladite cible.
11 . Système selon la revendication précédente, dans lequel le système laser et le système optique sont configurés pour :
- Générer une première dite impulsion, dite pré-impulsion (IL1), et la diriger vers la cible pour générer ledit plasma dense,
- Générer une seconde dite impulsion (IL2), dite impulsion principale, et la diriger vers la cible pour générer ledit sillage dans la couche de gaz et induire ledit chauffage des électrons dudit plasma dense, ladite impulsion principale, lors de sa réflexion par le plasma dense, étant superposée spatialement à la pre-impulsion.
12. Système selon la revendication précédente, dans lequel ledit système laser est adapté pour que le contraste temporel de la l’impulsion principale soit supérieur à 108, préférentiellement supérieur à 1O10.
13. Système selon l’une quelconque des revendications 10 à 11 , comprenant un bec de gaz (GN) relié à un réservoir de gaz, le bec de gaz étant adapté pour délivrer un jet de gaz (GJ) configuré pour former la couche de gaz,
14. Système selon la revendication précédente, comprenant une cellule de gaz scellée ou partiellement scellée par la cible, le bec de gaz étant adapté pour délivrer le jet de gaz dans la cellule de gaz.
15. Système selon l’une quelconque des revendications 12 à 14, dans lequel ladite cible est formée par une portion de ruban qui se déroule d’une bobine (BR), ledit système comprenant un ensemble moteur (MT) adapté pour dérouler ledit ruban dans la cellule. Système selon l’une quelconque des revendications 12 à 15, dans lequel le réservoir de gaz comprend de l’hélium et/ou de l’hydrogène et/ou de l’azote. Système selon l’une quelconque des revendications 12 à 16, dans lequel le bec de gaz est adapté pour qu’une pression moyenne dans la couche de gaz soit comprise entre 0.1 atm et 200 atm, préférentiellement comprise entre 0.5 atm et 50 atm.
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