Physique des plasmas

 

L’interaction entre un laser femtoseconde intense avec la matière produit un plasma de haute température (plusieurs dizaines de milliers de °C), composé d’ions fortement ionisés et d’électrons libres via lesquels le laser transfère son énergie à la matière. Les gaz d’électrons et d’ions oscillent l’un par rapport à l’autre à leur fréquence propre sous l’influence des forces électrostatiques présentes dans le milieu. Les études typiques de physique de l’interaction portent sur les processus d’absorption de l’énergie laser, sur les propriétés du plasma (physique atomique des plasmas chauds, dynamiques du plasma), et sur l’analyse des rayonnements et des particules émis par le plasma.

 

             

 

Les processus physiques qui régissent l’interaction diffèrent notablement en fonction de la densité de la cible (un gaz ou un solide), de la durée de l’impulsion laser et de son intensité. Le seuil de formation d’un plasma est de l’ordre de 1011 W/cm2 à la surface d’une cible solide, et de quelques 1013 W/cm2 dans un gaz. Au delà de 1018 W/cm2, la physique de l’interaction devient relativiste car les électrons, plus léger que les ions, oscillent dans le champs laser et acquièrent une vitesse proche de c, la vitesse de la lumière. Au delà de 1024 W/cm2, les protons interagissent à leur tour directement avec le champ électromagnétique oscillant et deviennent relativiste. Ce régime n’est cependant pas encore atteint actuellement car les intensités laser maximales disponibles sur cible sont de l’ordre de quelques 1020 W/cm2. A des intensités encore bien supérieures, de l’ordre de 1034 W/cm2, l’étude de la nature du vide devient accessible avec l’accès à l’électrodynamique quantique (création de paires électron-trou, etc…).

 

Le principe d'une expérience d'interaction laser intense-matière est le suivant. Un faisceau laser de 1012 watts à 1015 watts est focalisé sur une cible solide ou gazeuse sur des taches focales de quelques micromètres. Un plasma de haute température est obtenu dans la zone d'interaction. Le faisceau laser principal peut être divisé en plusieurs faisceaux pour sonder le plasma ou servir pour des expériences d'applications.

 

Plusieurs grands sujets phares dominent la physique de l’interaction d’un laser femtoseconde intense avec un gaz. En dessous de l’intensité seuil d’ionisation, la physique non linéaire permet d’étendre de manière significative le spectre du rayonnement harmonique de la longueur d’onde fondamentale laser. Au delà du seuil plasma, la dynamique d’ionisation permet de générer des inversions de population dans les différents niveaux d’énergie des ions et produire des lasers dans le domaine spectral des XUV. En focalisant dans l’air, le faisceau peut s’autofocaliser et ainsi se propager sur de très longues distances dans l’atmosphère. Dans un plasma plus dense que la pression atmosphérique (par exemple 1018 électrons/cm3), le faisceau peut se propager sur quelques centimètres et créer dans son sillage une cavité vierge d’électron dans laquelle règne des champs électrostatiques gigantesques (1010 V/m). Le LOA est présent sur l’ensemble de ces thématiques et joue un rôle majeur et moteur dans le développement de ces recherches.

 

         

 

Dans le cas de l’interaction avec un matériau solide (densité électronique ègale à 1023 électrons/cm3), nous exploitons l’optique non linéaire et la génération de polarisations croisées en dessous du seuil d’ionisation pour développer des techniques de filtrage temporel d’impulsions lasers. Pour des intensités laser supérieures, la formation de plasma femtoseconde est utilisée pour étudier la physique de l’ablation de tissus organiques afin de profiter des propriétés athermique du dépôt d’énergie d’un laser femtoseconde (l’énergie est déposée pendant la durée de l’impulsion laser, qui plus courte que le temps nécessaire à l’énergie déposée de diffuser de manière thermique dans la matière). A plus haute intensité (à partir de 1016 W/cm2), le laser ultracourt interagit avec un plasma très dense, proche de la densité initiale du solide car, malgré sa température élevée, le plasma n’a pas le temps de s’épandre pendant la durée de l’impulsion laser malgré sa température élevée. De même, les conditions de résonnance entre le champs électrique laser et le plasma oscillant amène à la génération de particules (électrons et protons) de fort courants crêtes ainsi que d’harmoniques du laser dans une gamme spectrale jusqu’au rayonnement X.

 

Lors de l'interaction d'un faisceau laser femtoseconde intense avec la surface d'une cible solide, un faisceau d'électrons énergétiques (en bleu) peut être produit. Ces électrons traversent la cible, et si cette dernière est ultrafine (quelques dizaines de nanomètres - 1 nm = 10-9 mètre), et sont éjecté en face arrière. Sous l'effet des forces électrostatiques, les ions (en rouge) de la cible sont accélérés, ce qui produit un faisceau d'ions (protons ici).

 

Les régimes d’interaction laser femtoseconde-matière couvrent ainsi une gamme très large de la physique. Ils donnent accès, avec des systèmes relativement compact, jusqu’à la physique des hautes énergies traditionnellement exclusivement réservée aux grands accélérateurs de particules. Il est également remarquable et unique de pouvoir étudier, en laboratoire, la matière soumise à des conditions extrêmes : températures de plusieurs centaines de millions de degrés, champs magnétiques de plusieurs centaines de tesla, courant électronique de plusieurs milliards d’ampère, particules accélérées de plusieurs milliard d’électron volt, des pressions de plusieurs millions de bar, des champs électriques supérieurs à mille milliard de Volt/m !

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