Activités

Objectifs fondamentaux et applications

Etude expérimentale et théorique de l'interaction laser-matière en champ fort et le transport et guidage de hautes intensités laser dans les plasmas.

Les principaux domaines d'application sont l’accélération d'électrons relativistes en plasmas sous denses, les sources de particules secondaires et de rayonnement énergétique, la physique à haute densité d’énergie, le développement de plasmas pour les accélérateurs avancés à forts gradients accélérateurs.

L’équipe ITFIP est active dans la modélisation et la mise en oeuvre expérimentale de l'accélération d'électrons par laser dans les plasmas. Plusieurs éléments clés pour les futurs accélérateurs laser plasma sont  en cours d’étude, en particulier le guidage de lasers intenses dans des tubes capillaires et le développement de nouvelles cibles plasma, les mécanismes physiques de piégeage et d'accélération des électrons pour des applications à l'accélération multi−étages.

Ces travaux s’intègrent dans le programme scientifique lié à l'accélération d'électrons sur l’installation de recherche APOLLON, et contribuent  à la qualification des équipements dans la salle longue focale d’APOLLON. L’équipe s’implique dans la coordination de groupes de travail dans les projets européens EUPRAXIA (design study et Phase préparatoire) et ARIES jusqu'en 2022.

L’équipe utilise des codes numériques de type "Particle in Cell" (WAKE, FBPIC, Smilei) et contribue au développement  d'un de ces codes (Smilei). Les expériences sont réalisées sur des installations françaises (UHI100, APOLLON) et européennes (LLC, Lund Suède, HZDR Dresden, Allemagne).

LWFA_Affiche_LPGP_new.png

Visualisation 3D d'une simulation Smilei d'accélération d'électrons par sillage laser-plasma avec injection par ionisation.

Violet: l'enveloppe du champ électrique du laser

Bleu: densité électronique; blanc: électrons issus par ionisation
Simulation d'accélération d'électrons par sillage laser-plasma avec injection par ionisation, F. Massimo
Descriptif:
Une impulsion laser intense (en rouge) se propage à travers un plasma d'hydrogène-azote partiellement ionisé et génère une onde plasma non-linéaire (densité électronique en bleu) dans le sillage du laser. L'impulsion laser ionise ultérieurement le nitrogène, libérant des électrons (en blanc) des niveaux d'énergie plus internes. Certains de ces électrons sont piégés dans l'onde plasma, où ils sont soumis à un fort champ électrique qui les accélère jusqu'à un niveau d'énergie relativiste.

Thèmes de recherche

L’équipe ITFIP développe une recherche fondamentale et exploratoire qui s’appuie sur l’utilisation de grands équipements, installations laser et accélérateurs, pour étudier l’interaction laser-matière à haut flux et le transport de faisceau de particules dans la matière à haute densité d’énergie (MHDE).

Activités de modélisation

Les activités de modélisation de l'équipe portent sur plusieurs sujets orientés à soutenir les activités expérimentales d'accélération laser-plasma d'électrons.

Pour la modélisation de la propagation du laser dans la cible plasma, de l'injection et de l'accélération des faisceaux d'électrons, des codes de simulation de type "Particle in Cell" (PIC), notamment Smilei et FBPIC, sont utilisés. En particulier F. Massimo est développeur du code source ouvert Smilei, en collaboration avec plusieurs laboratoires du plateau de Saclay: LULI, LLR et la Maison de la Simulation du CEA. F. Massimo est également impliqué dans des lignes de recherche sur des modèles physiques et des techniques numériques pour rendre plus rapides les simulations PIC et l'analyse de leurs résultats.

Pour la modélisation de la formation de la cible gazeuse, l'équipe utilise les codes de simulation fluide COMSOL Multiphysics et OpenFOAM. La comparaison des résultats de ces codes avec les mesures de densité des cibles est d'importance primordiale pour les expériences et pour les simulations PIC, comme le profil de densité du plasma ionisé par le laser correspond au profil de densité initial du gaz. Pouvoir simuler les profils de densité des cibles gazeuses permet d'optimiser leurs caractéristiques d'intérêt pour l'accélération laser-plasma.

Les mesures de fluence disponibles dans les expériences offrent souvent une description incomplète du profil de champ du laser, dont les imperfections ont des effets importants sur les phénomènes d'injection et accélération des faisceaux d'électrons dans le plasma. Pour améliorer la compréhension de ces phénomènes, une autre importante ligne d'investigation numérique de l'équipe inclue des techniques rapides de reconstruction du profil de champ du laser à partir des données de fluence mesurée. Cela permet d'utiliser un laser réaliste en entrée des simulations PIC et améliorer l'accord entre les spectres des faisceaux d'électrons simulés et les spectres mesurés dans les expériences, et donc d'avoir une meilleure compréhension des résultats mesurés.

Ces simulations réalistes donnent également des informations sur les effets des imperfections du laser sur les phénomènes d'intérêt.

L'équipe développe également des outils numériques pour l'interface avec les expériences, par exemple des techniques d'apprentissage automatique ("machine learning" en anglais) pour la mise en forme et l'optimisation du profil de phase de l'impulsion laser. Ces techniques peuvent explorer rapidement les espaces de paramètres qui décrivent l'impulsion laser et donc permettent d'améliorer les caractéristiques des faisceaux d'électrons accélérés.

A terme l'équipe vise à réaliser des simulations "ab initio" des expériences les plus complexes où est impliquée pour la conception et la réalisation, notamment le projet EARLI en collaboration avec le CERN et les futures expériences d'accélération laser-plasma d'électrons multi-étage. L'objectif est de pouvoir simuler les différentes composantes de ces expériences, à partir de la formation de la cible gazeuse, jusqu'à la ligne de transport qui propage les faisceaux d'électrons vers les applications.

Projets

European Plasma Research Accelerator with eXcellence In Applications (EuPRAXIA) project

L'équipe ITFIP participe activement au projet EUPRAXIA dont la phase préparatoire a commencé en 2022. Elle participe au travail de simulations qui permettra la définition des paramètres globaux et la configuration de l'installation, et a coordonné le groupe de travail responsable de la conception des structures accélératrices plasma à fort gradient dans le projet européen de Design Study d’EuPRAXIA.

L'équipe ITFIP s'implique fortement depuis plus de 10 ans dans des projets nationaux et Européens, au niveau scientifique (CILEX, EUPRAXIA, ARIES) et au niveau de la coordination de la recherche (Labex PALM, département PHOM de l’Université Paris Saclay, stratégie internationale accélérateurs au sein d’ALEGRO, GdR APPEL).

  1. Cros anime le groupe d’étude international ALEGRO (Advanced LinEar Collider study GROup) qui rassemble au niveau international environ 80 scientifiques issus de la physique des particules, de la communauté des accélérateurs, de la physique des lasers ou des plasmas. Les objectifs d’ALEGRO sont de coordonner les efforts au niveau international, de définir une feuille de route pour les futurs accélérateurs à fort gradient pour la physique des particules, et de faire des propositions concertées pour la construction de grandes installations. Ce travail est fait dans le cadre du groupe ICFA ANA.

Au niveau national B. Cros joue un rôle moteur dans l’animation de la communauté à travers la direction du GdR Accélérateurs Plasma pompés par laser, financé par le CNRS IN2P3 de 2019 à 2023, puis dans le GdR Science of Particle Accelerators depuis fin 2023.

Thèses effectuées au sein de l'équipe

  • Lewis Dickson: Accélération d'électrons par sillage laser-plasma (29 mars 2023)
  • Patrick Lee: Modélisation d'un injecteur laser-plasma pour l'accélération multi-étages (11 juillet 2017)
  • Thomas Audet: Développement d'un injecteur pour l'accélération laser plasma multi-étages (10 novembre 2016)
  • Frédéric Desforges: Injection induite par ionisation pour l'accélération laser-plasma dans des tubes capillaires diélectriques (10 juillet 2015)
  • Jean-Sébastien Macé: Modélisation du fonctionnement d’un gyrolaser He-Ne de très haute précision (21 juillet 2014)
  • Jinchuan Ju: Electron acceleration and betatron radiation driven by laser wakefield inside dielectric capillary tubes (27 juin 2013)
  • Amar Boudaa: Optimisation de sources XUV générées par l'interaction d'un laser sub-picoseconde avec un gaz rare (25 novembre 2010)
  • Bruno Robillart: Modélisation de la physique atomique et du transfert radiatif pour le laser X-UV (29 octobre 2010)
  • Franck Wojda: Mesure de l'amplitude d'une onde de plasma créée par sillage laser guidé (6 mai 2010)
  • Daniel Zimmer (co-tutelle GSI): A new double laser pulse pumping scheme for transient collisionally excited plasma soft x-ray laser (6 juillet 2010)

Thèses de l’équipe antérieure à 2010

 

Organisation de manifestations

  • Workshop ALEGRO 2024, 19-22 March, IST Lisbon(Portugal) https://indico.cern.ch/event/1364999/overview
  • Workshop ALEGRO 2023, du 22 au 24 mars à DESY, Hambourg (Allemagne) https://indico.cern.ch/event/1193719/
  • Journées Accélérateurs 2017 du 4 au 6 octobre 2017 à Roscoff
  • Advanced an Novel Accelerators for High Energy Physics Roadmap workshop 2017, ANAR2017,  du 25 au 28 avril 2017 au CERN
  • Journées Accélérateurs 2015  du 4 au 7 octobre à Roscoff.       
  • European Conference on Laser Interaction with Matter: ECLIM2014, Septembre 2014 à Paris.
  • Journées Accélérateurs de la SFP à Roscoff en 2009, 2011 et 201", qui réunit la communauté accélérateur française tous les deux ans.
  • «International Workshop on High Energy Electron Acceleration Using Plasma» en juin 2005 à Paris.
  • «16th International Symposium on Heavy Ion Inertial Fusion » qui a rassemblé plus de 80 spécialistes internationaux à St Malô en juillet 2006.