Développement d'un accélérateur laser-plasma kHz

Dans un accélérateur laser-plasma, une impulsion laser très intense est focalisée dans un gaz et crée un plasma entièrement ionisé en quelques femtosecondes. L’impulsion laser entraîne alors un champ de sillage plasma qui accélère les paquets d’électrons d’une durée femtoseconde. Le faisceau d’électrons est, en principe, parfaitement synchronisé avec le laser (sans gigue), ce qui est un grand avantage pour réaliser des expériences pompe-sonde avec des résolutions sans précédent.

Le développement d’un accélérateur laser-plasma kHz repose sur l’utilisation d’un laser kHz. Nous utilisons le laser Salle Noire à LOA qui délivre une impulsion de 3 mJ à kHz en seulement 3,5 fs, c’est-à-dire en un seul cycle lumineux! Ces durées d’impulsions extrêmes nous permettent d’atteindre l’intensité laser nécessaire pour entraîner un grand champ de sillage pour accélérer les électrons.

Nous développons cette expérimentation depuis cinq ans grâce à une bourse ERC (FEMTOELEC). Notre accélérateur a actuellement atteint un haut niveau de fiabilité et délivre régulièrement des faisceaux d’électrons avec peu d’électrons MeV et une charge dans la gamme 1-10 pC.

Nos projets actuels se concentrent sur:

  • Physique: optimisation du processus d’injection dans l’accélérateur. Rôle de la phase absolue (CEP) dans le processus d’injection et d’accélération
  • Technologie: développements de boucles de rétroaction, de systèmes de contrôle et de schémas de pompage différentiel pour mener notre expérience comme un accélérateur
  • Applications: (i) dans la matière condensée en effectuant des expériences de diffraction d’électrons résolues en temps, (ii) en radio-biologie en faisant une irradiation femtoseconde de cellules biologiques…

Publications associées:

« Démonstration du fonctionnement stable à long terme d’un accélérateur laser-plasma kilohertz »; L. Rovige et al., Soumis (2020)

« Un examen des progrès récents sur l’accélération laser-plasma à la fréquence de répétition de kHz »  ; J. Faure, D. Gustas, D. Guénot, A. Vernier, F. Böhle, M. Ouillé, S. Haessler, R. Lopez-Martens et A. Lifchitz, Plasma Physics Controlled Fusion 61 , 014012 (2019)

« Des paquets d’électrons relativistes à haute charge provenant d’un accélérateur laser-plasma kHz »; D. Gustas, D. Guénot, A. Vernier, S. Dutt, F. Böhle, R. Lopez Martens, A. Lifschitz et J. Faure, Phys. Rev. Acc. Et poutres 21 , 013401 (2018)

« Faisceaux d’électrons relativistes entraînés par des impulsions lumineuses à cycle unique de kHz » ; D. Guénot, D. Gustas, A. Vernier, B. Beaurepaire, F. Böhle, M. Bocoum, M. Lozano, A. Jullien, R. Lopez-Martens, A. Lifschitz et J. Faure, Nature Photonics 11 , 293 (2017)

Figure: Simulation PIC de l'interaction d'une impulsion laser à un seul cycle (courbe rouge) avec un plasma sous-dense (palette de couleurs verte). La figure montre le champ de sillage du plasma et les électrons piégés accélérés à l'intérieur (vert foncé)