Dissertations / Theses on the topic 'Relativist plasma'
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Oubrerie, Kosta. "Amélioration de l'efficacité des accélérateurs laser-plasma." Electronic Thesis or Diss., Institut polytechnique de Paris, 2022. http://www.theses.fr/2022IPPAE002.
Abstract:
Pour générer des faisceaux d'électrons à hautes énergies, les accélérateurs conventionnels utilisent des ondes radiofréquences pour accélérer des particules chargées à des vitesses relativistes. Cependant, le champ électrique accélérateur produit est limité à quelques dizaines de mégavolts par mètre, dû notamment à un phénomène de claquage. Il faut donc des installations de très grande taille pour atteindre des énergies suffisamment élevées. Ainsi, l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), qui est l'accélérateur linéaire le plus long au monde, accélère des électrons jusqu'à 50GeV sur 3.2km. Les accélérateurs laser-plasma peuvent produire des champs électriques dépassant 100 GV/m, soit environ trois ordres de grandeur plus grands que ceux obtenus par les accélérateurs à cavités radiofréquences. Ils pourraient ainsi permettre une diminution drastique de la taille des accélérateurs pour des applications scientifiques, médicales et industrielles. Cependant, plusieurs verrous devront être levés avant que ces applications puissent voir le jour. Il sera notamment nécessaire de démontrer la production efficace de faisceaux d'électrons de haute qualité, à des énergies de plusieurs GeV et à un taux de répétition élevé.Le projet doctoral s’attaque à cette problématique en explorant de nouvelles méthodes pour augmenter l'énergie des faisceaux d'électrons grâce à des techniques qui sont compatibles avec des puissances laser et des taux de répétition élevés et qui peuvent être alliées avec des méthodes d'injection contrôlée. En effet, des faisceaux d'électrons à haute énergie ou avec une injection contrôlée ont été obtenus séparément durant les quinze dernières années, mais jamais de manière combinée. Cette thèse présente les travaux réalisés sur les techniques de guidage ainsi que sur celles d'injection des électrons qui ont permis d'obtenir expérimentalement des faisceaux de bonne qualité à hautes énergies. Ce travail s'est fait notamment au travers de l'optimisation d'une optique nouvellement conçue au Laboratoire d'Optique Appliquée, l'axiparabole, ainsi que sur le développement de jets de gaz spécifiques à l'accélération laser-plasmaTo generate high energy electron beams, conventional accelerators use radio frequency waves to accelerate charged particles to relativistic speeds. However, the accelerating electric field produced is limited to a few tens of megavolts per metre, mainly due to a breakdown phenomenon. Very large facilities are therefore needed to reach sufficiently high energies. For example, the Stanford Linear Accelerator (SLAC), which is the world's longest linear accelerator, accelerates electrons up to 50 GeV over a distance of 3.2 km. Laser-Plasma Accelerators can produce electric fields exceeding 100 GV/m, that are about three orders of magnitude larger than those obtained by radiofrequency-cavity accelerators. They could thus allow for a drastic decrease of the size of accelerators for scientific, medical and industrial applications. Yet, several bottlenecks have to be solved before these applications can be really implemented. It is notably necessary to demonstrate the efficient production of high-quality, multi-GeV electron beams at a high-repetition rate.The doctoral project tackles this problem by exploring new methods for increasing the energy of the electron beams thanks to techniques that are compatibles with arbitrarily high laser powers and repetition rates and that can be combined with controlled injection methods. Indeed, high energy or controlled injection electron beams have been obtained separately during the last fifteen years, but never combined. This thesis presents the work carried out on the guiding techniques as well as on the electron injection techniques which allowed to obtain experimentally good quality beams at high energies. This work was done in particular through the optimisation of a new optic designed at the Laboratoire d'Optique Appliquée, the axiparabola, as well as the development of gas jets specific to laser-plasma acceleration
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Bocoum, Maïmouna. "Harmonic and electron generation from laser-driven plasma mirrors." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLX023/document.
Abstract:
Dans cette thèse expérimentale, nous nous intéressons à la réponse non-linéaire d’un miroir plasma sous l’influence d’un laser d’intensité sous-relativiste (~10^18 W/cm^2), et de très courte durée (~30fs). Nous avons en particulier étudié la génération d’impulsions attosecondes (1as=10^(-18) s) et de faisceaux d’électrons en effectuant des expériences dites de « pompe-sonde » contrôlées. Un premier résultat important est l’observation d’une anti-corrélation entre l’émission X-UV attoseconde et l’accélération d’électron lorsque l’on change la longueur caractéristique du plasma, résultats confirmés par des simulations numériques. Un second résultat important concerne le diagnostique de l’expansion du plasma sous vide par « interférométrie en domaine spatial » (SDI), technique élaborée dans le cadre de cette thèse. Enfin nous discutons à deux reprises l’utilisation d’algorithmes de reconstruction de phase dans le domaine spatiale ou temporel.De manière plus générale, nous avons cherché à replacer ce travail de thèse dans un contexte scientifique plus général. En particulier, nous tentons de convaincre le lecteur qu’à travers l’intéraction laser-miroir plasma, il devient concevable de fournir un jour aux utilisateurs des sources peu onéreuses d’impulsions X-UV et de faisceaux d’électrons de résolutions temporelles inégaléesThe experimental work presented in this manuscript focuses on the non-linear response of plasma mirrors when driven by a sub-relativistic (~10^18 W/cm^2) ultra-short (~30fs) laser pulse. In particular, we studied the generation of attosecond pulses (1as=10^(-18) s) and electron beams from plasma mirror generated in controlled pump-probe experiment. One first important result exposed in this manuscript is the experimental observation of the anticorrelated emission behavior between high-order harmonics and electron beams with respect to plasma scale length. The second important result is the presentation of the « spatial domain interferometry » (SDI) diagnostic, developed during this PhD to measure the plasma expansion in vacuum. Finally, we will discuss the implementation of phase retrieval algorithms for both spatial and temporal phase reconstructions.From a more general point of view, we replace this PhD in its historical context. We hope to convince the reader that through laser-plasma mirror interaction schemes, we could tomorrow conceive cost-efficient X-UV and energetic electron sources with unprecedented temporal resolutions
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Mollica, Florian. "Interaction laser-plasma ultra-intense à densité proche-critique pour l'accélération d'ions." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLX058/document.
Abstract:
L'interaction d'un laser ultra-intense et ultra-court avec la matière donne naissance à une grande variété de processus issus du couplage des ondes électromagnétiques associées au laser avec les modes du plasma. Ce couplage hautement non-linéaire excite des phénomènes plasmas collectifs capables de produire des champs intenses pouvant atteindre le TV/m. Ces champs ouvrent la possibilité de réaliser des accélérateurs de particules compacts, aussi bien d'électrons que d'ions. Des sources laser-plasma d'ions de plusieurs dizaines de MeV ont été démontré au début des années 2000 et de nombreux mécanismes ont été suggérés depuis afin d'en améliorer les propriétés. Historiquement, les sources d'ions par laser ont été obtenues à partir de cibles solides dîtes sur-denses. L’innovation sur les cibles a été un moteur majeur de l’amélioration de ces sources. Dans la continuité de cette dynamique, l’utilisation de cibles gazeuses a été proposé afin d’alléger les contraintes de contraste laser et de taux de répétition. De récentes démonstrations expérimentales sont venus renforcer l’intérêt pour ces cibles, dîtes sous-denses ou proche critiques, dont la valeur est propice à la propagation, à l’absorption du laser et à la création de structures accélératrices que sont les chocs plasmas et les vortex magnétiques. Les travaux présentés dans cette thèse constituent une exploration expérimentale des paramètres plasmas nécessaires à l’accélération d’ions dans des cibles gazeuses de densité proche-critique. Pour la première fois ces régimes sont explorés avec un laser ultra-intense femtoseconde de 150TW. Une partie des travaux a été consacrée à la réalisation d’une cible innovante, adaptée aux contraintes de densité et de gradients plasma requises par ces régimes. Suivent, les travaux expérimentaux décrivant la propagation du laser et l’accélération d’électrons dans des cibles proche-critiques. Enfin une dernière partie décrit la production d’un faisceau d’atome issue d’une source d’ion laserInteraction of ultra-intense, ultra-short laser with matter gives rise to a wealth of phenomena, due to the coupling between the electromagnetic field and the plasma. The non-linear coupling excites collective plasma processes able to sustain intense electric fields up to 1TV/m. This property spurred early interest in laser accelerator as compact, next-generation source of accelerated electrons and ions. Laser-driven ion source of several MeV was demonstrated in early 2000 an various mechanisms had been suggest to improve the their properties. These first ion sources have been obtained on solid targets, called “overdense”. Target innovation has driven the improvement of these sources. In the continuity of this dynamic, new gaseous targets had been proposed in order to relax the constraints that solid targets impose on laser contrast and repetition rate. Recent experimental demonstrations of monoenergetic ion acceleration in gas renew the interest in such targets, called under-dense or near-critical because of their intermediate densities. At near-critical density the laser can propagate, but undergoes significant absorbtion, giving rise to the accelerating structures of plasma shocks and magnetic vortex.The work presented in this thesis is an experimental exploration of the plasma conditions required to drive ion acceleration in gaseous near-critical target. For the first time, these regimes are explored with an ultra-intense, femtosecond laser of 150TW. A part of this work has been dedicated to the design of an innovative gas target, suited for plasma density and gradient constraints set by these regimes. Then the experimental works describe laser propagation and electron acceleration in near-critical targets. Finally the last part report the efficient production of an atomic beam from a laser-driven ion source
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Leblanc, Adrien. "Miroirs et réseaux plasmas en champs lasers ultra-intenses : génération d’harmoniques d’ordre élevé et de faisceaux d’électrons relativistes." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLS384/document.
Abstract:
Lors de la focalisation d’un laser femtoseconde ultra-intense [I>10¹⁶W/cm²] sur une cible solide, dès le début de l’impulsion le champ laser est suffisant pour totalement ioniser la surface de la cible. Le reste de l’impulsion est ensuite réfléchi dans la direction spéculaire par le plasma dense ainsi créé : c’est un miroir plasma. Le champ laser ultra-intense peut accélérer les électrons au sein du plasma à des vitesses relativistes. Certains sont éjectés vers le vide et ces miroirs plasmas sont ainsi des sources de faisceaux d’électrons énergétiques. De plus, ils rayonnent dans l’extrême ultra-violet (XUV) à chaque période laser, ce qui se traduit par de la génération d’harmoniques d’ordre élevé de la pulsation laser. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre l’interaction laser-plasma sur miroirs plasmas à l’aide de la caractérisation de ces deux observables physiques qui en sont issues : les faisceaux d’électrons relativistes et les faisceaux d’harmoniques d’ordre élevé. Une première partie traite de la mesure des faisceaux harmoniques. Du fait des conditions physiques extrêmes d’interaction, la détection ne peut se faire qu’à une distance macroscopique de la cible. Ainsi la caractérisation des propriétés angulaires de ces faisceaux (réalisée en fonction des conditions d’interaction au cours de travaux précédents) ne fournit que des informations partielles sur l’interaction en elle-même. La ptychographie, une technique de mesure par diffraction cohérente où une sonde est diffractée par un objet, est ici transposée à la génération d’harmoniques sur miroirs plasmas grâce à la micro-structuration optique du plasma à la surface de la cible. Les champs sources harmoniques sont ainsi reconstruits en amplitude et en phase spatiales directement dans le plan cible. Grâce à ces mesures dans différentes conditions d’interaction, des modèles théoriques analytiques d’interaction en régime non relativiste [I<10¹⁸W/cm²] et relativiste [I>10¹⁸W/cm²] développés précédemment sont validés expérimentalement. Une seconde partie de cette thèse est consacrée à l’étude expérimentale des propriétés angulaires et en énergie des faisceaux d’électrons relativistes issus des miroirs plasmas. Une étude théorique et numérique, permet de prouver que ces mesures sont la première observation claire de l’accélération d’électrons relativistes par laser dans le vide (VLA). Enfin, l’étude simultanée des efficacités de génération des faisceaux d’électrons et d’harmoniques montre une corrélation nette entre les deux processus en régime relativisteWhen focusing an ultra-intense femtosecond laser pulse [I>10¹⁶W/cm²] onto a solid target, this target is ionized at the very beginning of the laser pulse. The resulting dense plasma then reflects the laser in the specular direction: it is a plasma mirror. The ultra-intense laser field can accelerate electrons within the plasma at relativistic speeds. Some are ejected towards the vacuum and these plasma mirrors are therefore sources of relativistic electron beams. Moreover, at each optical cycle they radiate in the form of extreme ultraviolet light, resulting in the generation of high-order harmonics of the laser frequency (HHG). The objective of this PhD is to understand laser-plasma interaction though the characterization of high-order harmonics and relativistic electron beams generated from plasma mirrors. The first part deals with harmonic beam measurement. Due to the extreme physical conditions during the interaction, detection can only be performed at macroscopic distance from target. Thus, the characterization of the harmonic beams’ angular properties (carried out as a function of interaction conditions in previous works) only provides partial information on the interaction itself. A technique of coherent diffraction imaging, named ptychography, which consists of diffracting a probe onto an object, is transposed to HHG on plasma mirrors by optically micro-structuring the plasma on a target surface. Harmonic fields are then reconstructed spatially in amplitude and phase directly in the target plane. Thanks to this measurement in different interaction conditions, previously developed theoretical analytical models in non-relativistic regime [I<10¹⁸W/cm²] and relativistic regime [I>10¹⁸W/cm²] are experimentally validated. The second part of the PhD is dedicated to the experimental characterization of angular and spectral properties of relativistic electron beams. A theoretical and numerical study shows that this constitutes the first clear observation of vacuum laser acceleration (VLA). Finally, a simultaneous study of harmonic and electron signals highlights a strong correlation between both processes in the relativistic regime
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Keston, David Arthur. "Bernstein modes in weakly relativistic e'-e'+ plasma." Thesis, University of Glasgow, 1997. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.264260.
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Déchard, Jérémy. "Sources térahertz produites par des impulsions laser ultra-intenses." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS358/document.
Abstract:
Les impulsions laser femtosecondes produisent des phénomènes non linéaires extrêmes dans la matière, conduisant à une forte émission de rayonnement secondaire qui couvre un domaine en fréquence allant du terahertz (THz) aux rayons X et gamma. De nombreuses applications utilisent la bande de fréquences terahertz (0.1-100 THz) afin de sonder la matière (spectroscopie, médecine, science des matériaux). Ce travail est dédié à l'étude théorique et numérique du rayonnement THz généré par interaction laser-plasma. Comparé aux techniques conventionnelles, ces impulsions laser permettent de créer des sources THz particulièrement énergétiques et à large bande. Notre objectif a donc été d'étudier ces régimes d'interaction relativiste, encore peu explorés, afin d'optimiser l'efficacité de conversion du laser vers les fréquences THz. L'étude de l'interaction laser-gaz en régime classique nous permet, d'abord, de valider un modèle de propagation unidirectionnelle prenant en compte la génération d'impulsion THz et de le comparer à la solution exacte des équations de Maxwell. Ensuite, en augmentant l'intensité laser au-delà du seuil relativiste, nous simulons à l'aide d'un code PIC une onde plasma non linéaire dans le sillage du laser, accélérant ainsi des électrons à plusieurs centaines de MeV. Nous montrons que le mécanisme standard des photocourrants est dominé par le rayonnement de transition cohérent induit par les électrons accélérés dans l'onde de sillage. La robustesse de ce rayonnement est ensuite observée grâce à une étude paramétrique faisant varier la densité du plasma sur plusieurs ordres de grandeur. Nous démontrons également la pertinence des grandes longueurs d'ondes laser qui sont à même de déclencher une forte pression d'ionisation, ce qui augmente la force pondéromotrice du laser. Enfin, les rayonnements THz émis à partir d'interactions laser-solide sont examinés dans le contexte de cibles ultra fine, mettant en lumière les différents processus impliquésFemtosecond laser pulses trigger extreme nonlinear events inmatter, leading to intense secondary radiations spanning the frequency rangesfrom terahertz (THz) to X and gamma-rays.This work is dedicated to the theoretical and numerical study of THz radiationgenerated by laser-driven plasmas. Despite the inherent difficulty in accessingthe THz spectral window (0.1-100 THz), many coming applications use theability of THz frequencies to probe matter (spectroscopy, medicine, materialscience). Laser-driven THz sources appear well-suited to provide simultaneouslyan energetic and broadband signal compared to other conventional devices. Ourgoal is to investigate previously little explored interaction regimes in orderto optimize the laser-to-THz conversion efficiency.Starting from classical interactions in gases, we validate a unidirectionalpropagation model accounting for THz pulse generation, which we compare to theexact solution of Maxwell's equations. We next increase the laser intensityabove the relativistic threshold in order to trigger a nonlinear plasma wave inthe laser wake, accelerating electrons to a few hundreds of MeV. We show thatthe standard photocurrent mechanisms is overtaken by coherent transitionradiation induced by wakefield-accelerated electron bunch. Next, successivestudies reveal the robustness of this latter process over a wide range of plasmaparameters. We also demonstrate the relevance of long laser wavelengths inaugmenting THz pulse generation through the ionization-induced pressure thatincreases the laser ponderomotive force. Finally, THz emission from laser-solidinteraction is examined in the context of ultra-thin targets, shedding light onthe different processes involved
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Touati, Michaël. "Fast Electron Transport Study for Inertial Confinement Fusion." Thesis, Bordeaux, 2015. http://www.theses.fr/2015BORD0076/document.
Abstract:
Un nouveau mod`ele r´eduit pour le transport de faisceaux d’´electrons relativistes dans des solide ou des plasma denses est propos´e. Il est bas´e sur la r´esolution des deux premiers moments angulaires de l’´equation cin´etique relativiste, compl´et´es par une relation de fermeture d´eduite du principe de maximisation de l’entropie angulaire de Minerbo. Le mod`ele prend en compte aussi bien les effets collectifs du transport avec les champs ´electromagn´etiques auto g´en´er´es que les effets collisionnels li´es au ralentissement des ´electrons par collision sur les plasmons, les ´electrons li´es et les ´electrons libres du milieu ainsi que leur diffusion angulaire par collisions sur les ´electrons et les ions. Le mod`ele permet une r´esolution num´erique rapide des ´equations du transport de faisceau d’´electrons rapides tout en d´ecrivant l’´evolution cin´etique de leur fonction de distribution. Malgr´e le fait de travailler avec les grandeurs angulaires moyennes, le mod`ele a ´et´e valid´e par comparaison avec des solutions analytiques d´eriv´ees dans un cas acad´emique de transport de faisceau mono ´energ´etique et collimat´e dans un plasma dense et chaud d’Hydrog`ene ainsi qu’avec une simulation PIC hybride dans un cas r´ealiste de transport d’´electrons acc´el´er´es par laser dans une cible solide. Le mod`ele est appliqu´e `a l’´etude de l’´emission de photons Kα lors d’exp´eriences laser-plasma ainsi qu’a` la g´en´eration d’ondes de chocA new hybrid reduced model for relativistic electron beam transport in solids and dense plasmas is presented. It is based on the two first angular moments of the relativistic kinetic equation completed with the Minerbo maximum angular entropy closure. It takes into account collective effects with the self-generated electromagnetic fields as well as collisional effects with the slowing down of the elec- trons in collisions with plasmons, bound and free electrons and their angular scattering on both ions and electrons. This model allows for fast computations of relativistic electron beam transport while describing the kinetic distribution function evolution. Despite the loss of information concerning the angular distribution of the electron beam, the model reproduces analytical estimates in the academic case of a collimated and monoenergetic electron beam propagating through a warm and dense Hydro- gen plasma and hybrid PIC simulation results in a realistic laser-generated electron beam transport in a solid target. The model is applied to the study of the emission of Kα photons in laser-solid experiments and to the generation of shock waves
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Heissler, Patrick. "Relativistic laser plasma interaction." Diss., lmu, 2012. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:19-146019.
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MARQUES, JEAN-RAPHAEL. "Creation de plasmas homogenes pour l'excitation d'ondes plasma relativistes par battement d'ondes laser." Paris 11, 1992. http://www.theses.fr/1992PA112260.
Abstract:
Dans cette these sont etudies plusieurs points relatifs a l'acceleration de particules par battement d'ondes lasers dans un plasma. Une premiere partie theorique explique comment la force ponderometrice associe a un laser permet de creer une onde de champ electrostatique de forte amplitude et de vitesse de phase relativiste. Les differents mecanismes qui peuvent limiter l'amplitude de l'onde y sont detailles. La deuxieme partie est consacree a la creation des plasmas homogenes necessaires aux experiences de battement d'ondes. Le plasma est cree par multiphotoionisation d'un gaz d'hydrogene ou de deuterium. Un diagnostic base sur la diffusion thomson du laser permet de mesurer l'evolution du plasma. Un soin tout particulier est porte sur l'evolution temporelle de la densite electronique. Les resultats experimentaux sont compares a des modeles numeriques simples. La derniere partie presente les resultats de nos experiences de battement d'ondes. Des ondes plasma electroniques de forte amplitude sont creees lorsque la frequence plasma est proche de la difference de frequence des deux lasers. Les champs longitudinaux associes a ces ondes sont compris entre 0,3 et 1,5 gv/m. La decomposition de l'onde plasma relativiste via l'instabilite modulationnelle a ete observee pour la premiere fois. Une conclusion importante de ce travail est la mise en evidence de l'influence des ions, a la fois sur l'homogeneite du plasma et sur la saturation de l'onde plasma
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Appel, Walter. "Proprietes d'equilibre d'un plasma faiblement relativiste." Lyon, École normale supérieure (sciences), 1997. http://www.theses.fr/1997ENSL0051.
Abstract:
On considere un plasma a une composante a l'equilibre, forme de charges ponctuelles baignant dans un fond rigide uniforme neutralisant. Lorsque la temperature n'est pas trop elevee, les vitesses moyennes des particules restent faibles devant la vitesse de la lumiere, et les effets relativistes peuvent etre traites perturbativement. Une premiere approche purement classique (non quantique) du probleme consiste a utiliser le hamiltonien de darwin, qui inclut, outre les interactions coulombiennes, des interactions electromagnetiques retardees a deux corps couplant positions et impulsions canoniques. Les fonctions thermodynamiques et les fonctions de correlation sont evaluees a partir de resommations des developpements diagrammatiques de mayer habituels. Afin de discuter la pertinence physique du modele etudie ainsi que d'autres modeles presents dans la litterature, l'etude est poursuivie dans le cadre plus general de l'electrodynamique quantique a temperature finie. Les conditions spatiales et thermodynamiques de validite du modele de darwin sont alors degagees
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Vincenti, Henri Paul. "Génération d'impulsions attosecondes sur miroir plasma relativiste." Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2012. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00787281.
Abstract:
Lorsqu'on focalise un laser femtoseconde ultraintense [$I>10^{16}W.cm^{-2}$] à très haut contraste sur une cible solide, le champ laser au foyer est suffisant pour ioniser complètement la surface de la cible durant le front montant de l'impulsion et former un plasma. Ce plasma est très dense [densité supérieure à la densité critique pour la fréquence laser] et réfléchit le faisceau laser dans la direction spéculaire: c'est ce que l'on appelle un "miroir plasma". Lorsque l'intensité laser est suffisamment élevée, la réponse de ce miroir plasma devient non-linéaire, ce qui conduit à la génération d'harmoniques d'ordres élevés dans le faisceau réfléchi. Dans le domaine temporel, ce spectre d'harmoniques est associé à un train d'impulsions attosecondes. Les objectifs de ma thèse étaient d'arriver à une meilleure compréhension des propriétés des faisceaux harmoniques produits sur miroir plasma, et de mettre au point de nouvelles méthodes pour contrôler ces propriétés, notamment en vue de générer des impulsions attosecondes isolées au lieu de trains. Ainsi, nous avons tout d'abord imaginé et analysé, la première technique réaliste de génération d'impulsions attosecondes isolées sur miroir plasma. Cette approche entièrement nouvelle repose sur un tout nouvel effet physique: "l'effet phare attoseconde". Son principe consiste à envoyer les impulsions attosecondes du train dans des directions différentes, puis à sélectionner une seule de ces impulsions en champ lointain à l'aide d'une fente. En plus de sa simplicité d'implémentation sur une chaîne laser de type CPA, cette technique est très générale et s'applique non seulement aux miroirs plasma, mais plus généralement à n'importe quel mécanisme de génération d'harmoniques d'ordres élevés. Au delà de la génération d'impulsions attosecondes isolées, cet effet a plusieurs autres applications que nous discutons en détail. Ensuite nous nous sommes intéressés aux propriétés spatiales de ces harmoniques, dont la caractérisation et le contrôle sont cruciaux pour pouvoir utiliser cette source dans de futures expériences d'application. Par exemple, la réalisation de l'effet phare attoseconde nécessite de contrôler précisément la divergence des impulsions attosecondes. Ces propriétés spatiales sont imposées par la courbure du miroir plasma sous l'effet de la pression inhomogène du laser sur la cible. Nous avons développé un modéle complet de cette déformation du miroir plasma, qui permet de calculer analytiquement les propriétés spatiales du faisceau harmonique. Ce modèle a été validé par des simulations numériques approfondies.
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Vincenti, Henri. "Génération d'impulsions attosecondes sur miroir plasma relativiste." Palaiseau, Ecole polytechnique, 2012. https://pastel.hal.science/docs/00/78/72/81/PDF/manuscrit.pdf.
Abstract:
Lorsqu'on focalise un laser femtoseconde ultraintense [$$I>10^{16}W. Cm^{-2}$$] à très haut contraste sur une cible solide, le champ laser au foyer est suffisant pour ioniser complètement la surface de la cible durant le front montant de l'impulsion et former un plasma. Ce plasma est très dense [densité supérieure à la densité critique pour la fréquence laser] et réfléchit le faisceau laser dans la direction spéculaire: c'est ce que l'on appelle un "miroir plasma". Lorsque l'intensité laser est suffisamment élevée, la réponse de ce miroir plasma devient non-linéaire, ce qui conduit à la génération d'harmoniques d'ordres élevés dans le faisceau réfléchi. Dans le domaine temporel, ce spectre d'harmoniques est associé à un train d'impulsions attosecondes. Les objectifs de ma thèse étaient d'arriver à une meilleure compréhension des propriétés des faisceaux harmoniques produits sur miroir plasma, et de mettre au point de nouvelles méthodes pour contrôler ces propriétés, notamment en vue de générer des impulsions attosecondes isolées au lieu de trains. Ainsi, nous avons tout d'abord imaginé et analysé, la première technique réaliste de génération d'impulsions attosecondes isolées sur miroir plasma. Cette approche entièrement nouvelle repose sur un tout nouvel effet physique: "l'effet phare attoseconde". Son principe consiste à envoyer les impulsions attosecondes du train dans des directions différentes, puis à sélectionner une seule de ces impulsions en champ lointain à l'aide d'une fente. En plus de sa simplicité d'implémentation sur une chaîne laser de type CPA, cette technique est très générale et s'applique non seulement aux miroirs plasma, mais plus généralement à n'importe quel mécanisme de génération d'harmoniques d'ordres élevés. Au delà de la génération d'impulsions attosecondes isolées, cet effet a plusieurs autres applications que nous discutons en détail. Ensuite nous nous sommes intéressés aux propriétés spatiales de ces harmoniques, dont la caractérisation et le contrôle sont cruciaux pour pouvoir utiliser cette source dans de futures expériences d'application. Par exemple, la réalisation de l'effet phare attoseconde nécessite de contrôler précisément la divergence des impulsions attosecondes. Ces propriétés spatiales sont imposées par la courbure du miroir plasma sous l'effet de la pression inhomogène du laser sur la cible. Nous avons développé un modéle complet de cette déformation du miroir plasma, qui permet de calculer analytiquement les propriétés spatiales du faisceau harmonique. Ce modèle a été validé par des simulations numériques approfondiesWhen an ultra intense femtosecond laser ($$I>10^{16}W. Cm^{-2}$$) with high contrast is focused on a solid target, the laser field at focus is high enough to completely ionize the target surface during the rising edge of the laser pulse and form a plasma. This plasma is so dense (the electron density is of the order of hundred times the critical density) that it completely reflects the incident laser beam in the specular direction: this is the so-called " plasma mirror ". When laser intensity becomes very high, the non-linear response of the plasma mirror to the laser field periodically deforms the incident electric field leading to high harmonic generation in the reflected beam. In the temporal domain this harmonic spectrum is associated to a train of attosecond pulses. The goals of my PhD were to get a better comprehension of the properties of harmonic beams produced on plasma mirrors and design new methods to control theses properties, notably in order to produce isolated attosecond pulses instead of trains. Initially, we imagined and modeled the first realistic technique to generate isolated attosecond on plasma mirrors. This brand new approach is based on a totally new physical effect: "the attosecond lighthouse effect". Its principle consists in sending the attosecond pulses of the train in different directions and selects one of these pulses by putting a slit in the far field. Despites its simplicity, this technique is very general and applies to any high harmonic generation mechanisms. Moreover, the attosecond lighthouse effect has many other applications (e. G in metrology). In particular, it paves the way to attosecond pump-probe experiments. Then, we studied the spatial properties of these harmonics, whose control and characterization are crucial if one wants to use this source in future application experiments. For instance, we need to control very precisely the harmonic beam divergence in order to achieve the attosecond lighthouse effect and get isolated attosecond pulses. At very high intensities, the plasma mirror dents and gets curved by the inhomogeneous radiation pressure of the laser field at focus. The plasma mirror surface thus acts as a curved surface, which focuses the harmonic beam in front of the target and fixes its spatial properties. We developed a fully analytical and predictive model for the surface deformation, thanks to which we are now able to calculate very easily the spatial properties of the generated harmonic beams. We validated this model through hundreds of 1D and 2D PIC simulations
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Chopineau, Ludovic. "Physique attoseconde relativiste sur miroirs plasmas." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLS132/document.
Abstract:
Lors de la réflexion d’un laser femtoseconde ultra-intense [Iʟ > 10¹⁶ W/cm²] sur une cible solide, celle-ci est ionisée dès les premiers cycles de l’impulsion. Un plasma se détend alors vers le vide avec un profil exponentiel de longueur caractéristique Lg. Pour de faibles longueurs de gradient Lg < λʟ, le gradient plasma est considéré comme raide, il réfléchit spéculairement l’impulsion incidente : c’est un miroir plasma. De tels plasmas, réfléchissant pour la lumière, sont aujourd’hui exploités dans différentes applications scientifiques, comme l’accélération de particules par laser ou encore la génération d’harmoniques d’ordre élevé, associées dans le domaine temporel à un train d’impulsions attosecondes. Néanmoins, pour favoriser ces émissions de lumière ou de particules, le transfert d’énergie entre l’impulsion laser incidente et le plasma est essentiel. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre ces interactions à l’aide de la caractérisation de ces deux observables physiques qui en sont issues : les émissions d’électrons relativistes et d’harmoniques d’ordre élevé. Tout d’abord, nous reportons dans ce manuscrit la première étude expérimentale et numérique détaillée des mécanismes de couplage laser-plasma dense impliqués en régime relativiste [Iʟ > 10¹⁸ W/cm²] en fonction notamment de la longueur caractéristique de gradient Lg. Cette étude a notamment permis d’identifier deux régimes distincts en fonction des conditions d’interaction, éclaircissant ainsi la physique régissant ces systèmes. Par ailleurs, au delà de cet aspect fondamental, le contrôle de ces sources est également essentiel pour de futures expériences. Pour cela, différentes approches permettant de mettre en forme spatialement et temporellement ces impulsions de lumière ultra-brèves ont été étudiées au cours de ce doctorat, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l’utilisation de ces sources. En particulier, nous démontrons qu’il est possible d’introduire un moment angulaire orbital aux impulsions XUV attosecondes via la mise en forme spatiale du faisceau IR femtoseconde incident ou bien de plasma dense créé à la surface de la cible mais également de contrôler la dynamique des électrons de surface du plasma à l’échelle attoseconde à l’aide d’un champ incident à deux couleurs. Finalement, une méthode novatrice basée sur des mesures de ptychographie dynamique a été développée afin de caractériser spatio-temporellement ces impulsions de lumière ultra-brèves, constituant un enjeu majeur pour la communautéWhen an ultra-intense femtosecond laser beam [Iʟ > 10¹⁶ W/cm²] is focused on a solid target, the surface becomes completely ionized during the first optical cycles of the laser pulse. Due to their solid-like density and to their limited expansion into the vacuum such plasmas specularly reflect these pulses, just like ordinary mirrors do for low intensity. These plasmas are now used in many scientific applications like particle acceleration by laser light as well as high-order harmonic generation, associated to a train of attosecond pulses in the time domain. Nevertheless, to favor these emissions of light or particle, the energy transfert between the incident field and the dense plasma is crucial. The aim of this thesis is to better understand these interactions through the characterization of high-order harmonics and relativistic electron beams generated on plasma mirrors. We reported in this manuscript the first detailed experimental and numerical study of the coupling mechanisms involved between an ultra-intense laser light [Iʟ > 10¹⁸ W/cm²] and a dense plasma, and more specifically as a function of the gradient scale length Lg. These results enabled to identify two different regimes, clarifying some physical issues. Furthermore, beyond these fondamental aspects, the control of these sources is essential, particularly for futures pump-probe experiments or new spectroscopies. For that, several approaches have been studied to temporally and spatially shape these ultra-short light pulses, thus opening up new perspectives for these sources. We demonstrate in particular the generation of intense XUV vortex beam either by spatially shaping the incident IR field or the dense plasma created at the target surface as well as controlling the electron dynamics on the attosecond time scale with relativistic two-color waveforms. Finally, an innovative method based on in-situ ptychographic measurements has been developed to simultaneously characterize in time and space these ultrashort XUV light pulses, constituting one of the major challenges of the community
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Miller, Evan. "Magnetogenesis through Relativistic Velocity Shear." Thesis, Dartmouth College, 2016. http://pqdtopen.proquest.com/#viewpdf?dispub=10001975.
Abstract:
Magnetic fields at all scales are prevalent in our universe. However, current cosmological models predict that initially the universe was bereft of large-scale fields. Standard magnetohydrodynamics (MHD) does not permit magnetogenesis; in the MHD Faraday’s law, the change in magnetic field B depends on B itself. Thus if B is initially zero, it will remain zero for all time. A more accurate physical model is needed to explain the origins of the galactic-scale magnetic fields observed today. In this thesis, I explore two velocity-driven mechanisms for magnetogenesis in 2-fluid plasma. The first is a novel kinematic ‘battery’ arising from convection of vorticity. A coupling between thermal and plasma oscillations, this non-relativistic mechanism can operate in flows that are incompressible, quasi-neutral and barotropic. The second mechanism results from inclusion of thermal effects in relativistic shear flow instabilities. In such flows, parallel perturbations are ubiquitously unstable at small scales, with growth rates of order with the plasma frequency over a defined range of parameter-space. Of these two processes, instabilities seem far more likely to account for galactic magnetic fields. Stable kinematic effects will, at best, be comparable to an ideal Biermann battery, which is suspected to be orders of magnitude too weak to produce the observed galactic fields. On the other hand, instabilities grow until saturation is reached, a topic that has yet to be explored in detail on cosmological scales. In addition to investigating these magnetogenesis sources, I derive a general dispersion relation for three dimensional, warm, two species plasma with discontinuous shear flow. The mathematics of relativistic plasma, sheared-flow instability and the Biermann battery are also discussed.
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Bourgeois, Pierre-Louis. "Modélisation de sources X générées par interaction laser-plasma en régime relativiste." Thesis, Institut polytechnique de Paris, 2020. http://www.theses.fr/2020IPPAX073.
Abstract:
Lors de la propagation d'une impulsion laser ultra courte, ultra intense dans un gaz de faible densité, un plasma est créé et une partie des électrons vont pouvoir être accélérés grâce à la technique de sillage laser à des énergies de plusieurs GeV en quelques centimètres.Ces électrons, lors de leur accélération, émettent un rayonnement X appelé bêtatron, qui est fortement collimaté et possède de très bonnes propriétés spatiales et temporelles, lui donnant de nombreuses applications dont l'imagerie ultra-haute résolution.Dans cette thèse, on étudie comment améliorer les outils numériques utilisés pour simuler ces phénomènes physiques : les codes Particle-In-Cell (CALDER). On s'intéresse notamment à un artefact numérique appelé rayonnement Cherenkov numérique, qui survient lorsque les particules accélérés se déplacent à des vitesses proches de la vitesse de la lumière dans le vide.On démontre que cet artefact a un effet néfaste sur le comportement du faisceau d'électrons accélérés, en particulier sur son mouvement transverse, ce qui conduit à des erreurs importantes sur le calcul du rayonnement bêtatron à partir des simulations PIC. On propose alors une nouvelle approche pour limiter l'impact de ce rayonnement Cherenkov numérique sur les simulations d'accélération par sillage laser en modifiant la méthode d'interpolation des champs habituellement utilisée dans un code PIC. Les résultats obtenus avec cette nouvelle technique mettent en évidence une nette amélioration de la modélisation du mouvement des électrons, qui se rapproche du comportement attendu théoriquement. Fort de ces premiers résultats, d'autres applications de cette technique sont ensuite explorées, pour améliorer la modélisation des sources bêtatron, de l'accélération par laser dans le vide ou de l'accélération directe par laser.La plus grande précision sur le calcul du mouvement transverse des particules qu'apporte cette nouvelle méthode permet d'améliorer les résultats mais aussi d'étudier des phénomènes physiques aux effets subtils qui sont autrement cachés par le bruit numérique des simulationsWhen an ultra-short ultra-intense laser impulsion propagates through a low density gas jet, a plasma is created and a bunch of electrons can be accelerated through laser wakefield acceleration to Gev energies in only a few centimetres. Those accelerated electrons then emit what is called Betatron radiation: a highly focused X-ray source with extremely good spatial and temporal properties, which has a lot of possible applications including ultra-high resolution imaging.In this thesis, we investigate possible improvements to one of the main numerical tools used to simulate those phenomenons: the Particle-In-Cell codes (CALDER). We have especially studied a numerical artefact called the numerical Cherenkov radiation, that occurs when relativistic particles move at speeds aproaching the speed of light in a vaccuum.We show that this artefact has a negative impact on the behaviour of the accelerated electron beam, especially on its transverse motion, which leads to important errors on the betatron radiation calculated using PIC simulations.We then introduce a new approach to mitigate the impact of this numerical Cherenkov radiation on laser wakefield acceleration simulation with a simple modification of the electromagnetic field interpolation method used in PIC codes. The results obtained with this new technique show a meaningful improvement on the electron motion wich becomes close to the theoretically expected behaviour.We then explore other possible applications for this new technique, notably improving the modelization of betatron sources, vacuum laser acceleration or direct laser acceleration.The improvement of the computation of the particles transverse motion thanks to this new method leads to more accurate results but also enables us to study physical phenomenon with subtle effects that would otherwise be hidden among the numerical noise of the simulation
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Jaroschek, Claus. "Critical Kinetic Plasma Processes In Relativistic Astrophysics." Diss., lmu, 2005. http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:19-46601.
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Streeter, Matthew. "Ultrafast dynamics of relativistic laser plasma interactions." Thesis, Imperial College London, 2013. http://hdl.handle.net/10044/1/24854.
Abstract:
This thesis documents the experimental and theoretical investigation of laser pulse evolution in relativistic laser-plasma interactions for plasma-wakefield acceleration and ion acceleration experiments. Power amplification of the Astra Gemini laser in a plasma was observed, with the compression of an initially 55 fs, 180 TW pulse down to 14 fs, with a peak power of 320 TW. This was achieved in a laser-driven plasma wakefield operating just below the self-injection threshold density for a propagation distance of 15 mm. Self-guiding of the laser pulse was observed, while pulse depletion was characterised as a function of density and propagation distance, showing that the pulse evolution scales equally with both. These measurements displayed good agreement with a depletion model based on pulse front etching. Particle-in-cell simulations were seen to closely reproduce the experimental results, which were concluded to be predominantly dependent on the longitudinal properties of the laser and wakefield. The simulations also revealed a new wakefield instability that is driven by the far red-shifted component of the laser pulse. In the case of high-contrast solid-density interactions, oscillations of the front surface of the plasma were seen to result in the generation of the second harmonic of the driving laser for a p-polarised interaction. Conversion efficiencies of 22% into the second harmonic were measured, while the total plasma reflectivity into the first and second harmonics remained relatively constant at 65% over the intensity range of 1E17 - 1E21 W/cm2. For normal incidence interactions with sub-micron thickness foils, the cycle-averaged surface motion was measured using a FROG diagnostic. Targets of a few nanometers in thickness underwent an acceleration away from the laser, but the measured surface velocities did not match the expected hole-boring velocities or the measured ion energies, due to the thermal expansion of the plasma. 2D simulations revealed that studying target motion in this way is affected by the scale length of the plasma and photon acceleration that can occur in the tenuous plasma in front of the laser-reflecting surface.
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Thaury, Cédric. "Génération d'harmoniques d'ordres élevés sur miroir plasma." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00335261.
Abstract:
Lorsqu'un faisceau laser intense est focalisé sur une cible solide, cette dernière est rapidement ionisée en surface, et forme un plasma dense qui réfléchit le champ incident. Pour des éclairements lasers supérieurs à quelques $10^{15}Wcm^{-2}$, cette réflexion peut s'accompagner de la génération d'harmoniques d'ordres élevés de la fréquence laser, associées dans le domaine temporel à un train d'impulsions attosecondes ($1as=10-^{18}s$). Un tel miroir plasma pouvant supporter des éclairements arbitrairement élevés, ce processus devrait permettre à terme, de produire des impulsions très intenses dans le domaine des rayons X.Au cours de cette thèse, nous avons prouvé que lorsque l'éclairement laser est de l'ordre de $10^{19}Wcm^{-2}$, deux mécanismes peuvent contribuer à la génération d'harmoniques d'ordres élevés sur miroir plasma : l'émission cohérente de sillage et l'émission relativiste. Ces deux mécanismes ont été étudiés à la fois théoriquement et expérimentalement.
Nous avons ainsi montré que, grâce à des propriétés très différentes, les harmoniques générées par ces deux processus peuvent être distinguées expérimentalement, sans ambiguïté. Nous nous sommes ensuite intéressés aux propriétés de phase spectrales et spatiales des harmoniques. Enfin, nous avons illustré comment exploiter la cohérence des mécanismes de génération pour obtenir des informations sur la dynamique électronique du plasma.
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Moreau, Julien. "Interaction d’une impulsion laser intense avec un plasma sous dense dans le régime relativiste." Thesis, Bordeaux, 2018. http://www.theses.fr/2018BORD0042/document.
Abstract:
De part ses nombreuses applications scientifiques et sociétales comme la radiographie protonique ou encore la protonthérapie, l’accélération d’ions par laser suscite un grand intérêt. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre et présente une étude de l’interaction d’une impulsion laser d’intensité relativiste avec un plasma de densité modérée. Dans ce régime, le plasma est transparent à l’onde laser et les électrons oscillent à des vitesses relativistes dans le champ de l’onde incidente. Ces conditions sont favorables à un transfert efficace de l’énergie laser vers le plasma, et donc sont intéressantes pour l’accélération d’ions par laser. Ce régime permet également la création de solitons électromagnétiques et acoustiques dont les mécanismes de formation et les propriétés nécessitent une meilleur compréhension. Nous réalisons une étude détaillée de simulations Particle-In-Cell (réalisées avec le code OCEAN) de l’interaction d’une impulsion laser intense avec un plasma sous dense. Nous montrons que la diffusion Raman stimulée (SRS) dans le régime relativiste est le principal processus responsable de l’absorption de l’énergie laser par le plasma et qu’il est, en outre, très efficace puisqu’il permet de transférer près de 70 % de l’énergie de l’impulsion laser aux électrons. Cette instabilité apparaît dans des plasmas dont la densité est nettement supérieure à la densité quart-critique du fait de la diminution de la fréquence plasma électronique et se développe sur des temps très courts. Il permet ainsi un chauffage homogène des électrons tout le long de la propagation de l’impulsion laser à travers le plasma. Ces électrons participent à la détente du plasma, et créent sur ses bords raids un champ électrostatique permettant l’accélération des ions. Ces derniers gagnent 30 % de l’énergie laser initiale. Nous avons aussi développé un modèle simple qui permet de prédire et donc d’optimiser le taux de rétro-diffusion du plasma du fait du développement de l’instabilité SRS. Nous nous intéressons également à la séquence des processus permettant la formation des cavités électromagnétiques. Cette analyse souligne le rôle joué par l’instabilité modulationnelle ou de Benjamin-Feir sur le front de l’impulsion laser qui est divisée en un train de plusieurs solitons électromagnétiques. À l’aide d’une étude détaillée, nous montrons que ces solitons excitent des ondes plasmas dans leur sillage en se propageant dans le plasma, perdent de l’énergie et finissent par être piégés. Ils forment également des dépressions (cavités) des densités électroniques et ioniques du plasma. Ces cavités sont des pièges pour les champs électromagnétiques rayonnés par le plasma (par exemple du fait de l’instabilité SRS) et survivent grâce à un équilibre entre la pression de radiation des champs piégés et les pressions cinétiques électroniques à leurs bords. Ces cavités absorbent une part importante de l’énergie laser mais elles n’en conservent qu’une partie sous forme d’énergie électromagnétique piégée. Le reste de l’énergie permet l’expansion de la cavité, la génération de solitons acoustiques supersoniques et l’accélération de particulesThe laser-accelerated ions draw an increasing interest due to their potential applications and to their unique properties. This manuscript presents a study of the interaction between a relativistic intense laser pulse and a low density plasma. In this regime, the plasma is transparent to the laser pulse and electrons oscillate with relativistic velocities in the field of the incident wave. These conditions make the transfer of the laser pulse energy to the plasma efficient, and therefore are interesting for the ion acceleration. This regime generates also electromagnetic and acoustic solitons whose formation mechanisms and properties need to be better understood. We carry out a detailed analysis of Particle-In-Cell simulations (performed with the code OCEAN) of interaction of an intense laser pulse with a low density plasma.We show that the stimulated Raman scattering (SRS) is the main mechanism responsible for the absorption of laser energy in plasma. This process is very efficient : it leads to the transfer of 70 % of the laser pulse energy to electrons. This instability occurs in plasmas with a density larger than the quarter critical one due to the decrease of the electron plasma frequency and develops in a very short time scale. It leads to an homogeneous electron heating all along the distance of propagation of the laser pulse through the plasma. The ions are efficiently accelerated at the plasma edges and can get nearly 30%of the initial laser energy. This study is accompanied by a simple analytical model which is able to predict and so optimize the laser backscattering fraction due to the development of the SRS instability. We also present a sequence of stages which lead to the formation of electromagnetic cavities. This analysis highlights the role of the modulationnal or Benjamin-Feir instability in the front of the laser pulse, which is split in a train of electromagnetic solitons. Our detailed study shows that these solitons excite plasmas waves in their wake, lose energy and are finally trapped in the plasma. They lead to the formation of density depressions (cavities) which may trap the electromagnetic fields produced in the plasma (by the SRS instability, for example). These structures may survive for a long time thanks to an equilibrium of the trapped field radiation pressure and the electronic kinetic pressure at their borders. These cavities absorb an significant part of the laser energy but only a part of it is trapped inside. The remaining part is invested in the cavity expansion, generation of acoustic solitons and acceleration of charged particles
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MAGNEVILLE, ALAIN. "Propagation d'ondes plasma dans des sytemes chauds relativistes de type faisceau-plasma." Paris 11, 1990. http://www.theses.fr/1990PA112017.
Abstract:
La propagation d'ondes plasmas est etudiee dans le cas ou les temperatures du faisceau et du plasma sont relativistes, ainsi que la vitesse moyenne entre ces deux systemes. Il est demontre que dons ce probleme la temperature est un invariant relativiste. La relation de dispersion est obtenue pour differents cas de vitesse de phase, selon que celle-ci fait intervenir ou non la contribution de particules resonnantes du faisceau ou du plasma. Les deux cas asymptotiques de temperatures faiblement et ultra relativistes sont envisages. Les instabilites cinetiques et hydrodynamiques spatiales et temporelles sont ensuite etudiees dans les differents cas de vitesses de phase des ondes. Les conditions d'instabilites sont calculees et les taux de croissance sont evalues pour differents rapports de densites faisceau-plasma. Un cas interessant d'inversion de stabilite cinetique est discute. Comme application aux plasmas relativistes, l'etude d'ondes plasmas creees par battements lasers est developpee dans le cadre de fortes temperatures ou de faibles intensites lasers, impliquant des perturbations de la fonction de distribution plus petites que la fonction de distribution a l'equilibre. Le rendement est calcule pour differentes valeurs de temperatures, d'energies et de frequences lasers. Le raysonnement radio des pulsars est aborde comme application des instabilites en systeme faisceau-plasma relativiste et chaud
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Bouchard, Guillaume. "Étude théorique et numérique de la génération d’harmoniques XUV à l’aide de lasers ultra-intenses sur feuilles minces." Thesis, université Paris-Saclay, 2020. http://www.theses.fr/2020UPASS037.
Abstract:
Lors de la focalisation d’un laser femto seconde ultra-intense (Iλ0² > 10¹⁶ W.cm⁻ ²) sur un solide, le champ laser incident est suffisamment intense pour ioniser presque totalement la cible dès le début de l’impulsion. Ainsi la plus grande partie du laser est réfléchis dans la direction spéculaire par le plasma dense créé jusqu’alors : C’est un miroir plasma. Le champ laser ultra-intense accélère les électrons à la surface alors qu’ils sont extraits du plasma à des vitesses proche de c. À chaque période laser, les électrons sont ainsi la source d’un rayonnement de très haute fréquence, pouvant s’étendre jusqu’à l’extrême ultraviolet voir jusqu’au domaine X. Cette périodicité dans la génération se traduit par l’apparition d’un spectre d’harmoniques de la fréquence laser ω₀. Les électrons sont finalement renvoyés dans le plasma avec des vitesses très proche de la vitesse de la lumière. Bien que les mécanismes de génération dans le domaine XUV soient bien identifiés en réflexion aujourd’hui peu d’études ont été menées pour comprendre d’où pouvait provenir le rayonnement émis dans la direction de transmission. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre l’interaction laser-plasma dans le cas où l’épaisseur de la cible est de l’ordre de la longueur d’onde. En particulier, on étudiera dans l’émission le rôle des jets d’électrons relativistes, renvoyés dans le plasma, lorsque ces derniers traversent la face arrière de la cible. La première partie de ce manuscrit s’intéresse aux mécanismes déjà identifiés pour expliquer la génération d’impulsions XUV dans la direction spéculaire. On se demande alors dans quelles mesures ces modèles sont insuffisants pour décrire le rayonnement émis dans la direction de transmission. La seconde partie de ce manuscrit s’intéresse aux méthodes FDTD (Finite Difference Time Domain) utilisées dans les codes "Particle-in-Cell", en particulier à deux effets numériques induits par cette méthode et potentiellement néfastes pour les simulations : La dispersion numérique et l’instabilité Cherenkov numérique. On essayera ici d’apporter une amélioration aux algorithmes classiques diminuant l’impact de la dispersion et de l’instabilité Cherenkov sur les résultats. Enfin on identifiera un tout nouveau mécanisme de rayonnement XUV cohérent : Le rayonnement cohérent par freinage plasma. Lorsque les électrons quittent le plasma, un champ de charge espace de plusieurs TV apparait sur la surface arrière. Ce champ de freinage longitudinal accélère transversalement les jets d’électrons relativistes créés par les cycles optiques suivants. Ces jets émettent alors des impulsions lumineuses d’une centaine d’attosecondeWhen focusing an ultra-intense femtosecond laser pulse (Iλ0² > 10¹⁶ W.cm⁻ ²) on to a solid, the incident laser field is sufficiently high to ionise almost entirely the target at the very beginning of the pulse.Thus the most part of the laser field is reflected in the specular direction by the overdense plasma created until then : This is what we call a plasma mirror. The electrons, accelerated by the ultra-intense laser field ,are pulled out of the plasma with speeds which are almost equal to the speed of light c. For each laser period, electrons are the sources of a high-frequency radiation that can extend to the Extreme Ultra Violetor X domains. This periodicity in the generation process leads to the emergence of a harmonic spectrum of the laser frequency ω₀. Eventually, electrons are pushed back into the plasma with speeds always very close to c. Even though mechanisms of the XUV radiation are well known in the specular direction today, too few studies were conducted to understand generations process in the transmitted direction.The objective of this PhD thesis is to deepen understanding the laser-plasma interaction for the case where the target thickness is of the wavelength order. In particular, we will study the role of relativistic electronsjets in the forward radiation, when they fly across the target rear side.The first part of this manuscript will essentially deal with the already well-known mechanisms which explain the radiation in the specular direction. We can wonder to what extent these models are not sufficient to describe the forward radiation, in the transmitted direction.The second part of this manuscript deal with FDTD methods (Finite Difference Time Domain) in use in the "Particle-in-Cell" codes, especially two numerical effects induced by these methods potentially harmful for simulations in order to achieve physical results with meaning : Numerical dispersion and Numerical Cherenkov Instabilities. We will try to make an improvement to the algorithms in order to mitigate these two annoying effects. Eventually, we will identify a new coherent XUV radiation mechanism : The coherent plasma bremsstrahlung or coherent plasma braking radiation. When electrons leave the plasma, a several TV space-charge field appear on the target rear side. This braking longitudinal field accelerate electrons jets transversally which was created by next optical cycles. These jets radiate intenselight pulses of hundreds attoseconds
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Albert, Felicie. "Rayonnement synchrotron base sur l'interaction laser-plasma en regime relativiste." Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2007. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00004556.
Abstract:
Lors de l'interaction entre un laser femtoseconde ultra intense (50 TW) et un jet de gaz, des electrons du plasma peuvent etre pieges et acceleres par sillage laser dans une cavite ionique. Au cours de leur acceleration, ils effectuent egalement des oscillations transverses et, comme dans un synchrotron mais a petite echelle, ces electrons en mouvement vont produire un faisceau de rayons X polychromatiques et ultrabrefs, le rayonnement Betatron. Apres la mise en evidence experimentale de ce mecanisme en 2004, l'objectif de la these a ete de caracteriser spectralement et spatialement la source. Ces etudes ont egalement permis de determiner les proprietes des trajectoires electroniques dans la cavite. Apres un bref rappel des proprietes theoriques de la source X-Betatron, la caracterisation experimentale du rayonnement X et des trajectoires electroniques est presentee. Trois spectrometres ont ete developpes pour caracteriser le spectre de la source X-Betatron entre 1 et 10 keV : un spectrometre a filtres et deux spectrometres a cristaux haute resolution. Trois methodes experimentales, reposant sur les proprietes spectrales et spatiales de la source, ont permis de caracteriser les trajectoires electroniques dans la cavite acceleratrice. Cette source de rayons X ouvre des perspectives nouvelles dans le domaine des applications. Sa polychromaticite permettra notamment de realiser des experiences d'absorption X resolues en temps a l'echelle femtoseconde.
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Gustas, Dominykas. "High-repetition-rate relativistic electron acceleration in plasma wakefields driven by few-cycle laser pulses." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLX118/document.
Abstract:
Le progrès continu de la technologie laser a récemment permis l’avancement spectaculaire d’accélérateurs de particules par onde de sillage. Cette technique permet la génération de champs électriques très forts, pouvant dépasser de trois ordres de grandeurs ceux présents dans les accélérateurs conventionnels. L’accélération résultante a lieu sur une distance très courte, par conséquent les effets de la charge d’espace et de la dispersion de vitesse sont considérablement réduits. Les paquets de particules ainsi générés peuvent alors atteindre des durées de l’ordre de la femtoseconde, qui en fait un outil prometteur pour la réalisation d’expériences de diffraction ultra-rapide avec une résolution inégalée de l’ordre de quelques femtosecondes. La génération de tels paquets d’électrons avec des lasers de 1 J et d’une durée de 30 fs est à présent bien établie. Ces paramètres permettent de produire des faisceaux d’électrons de quelques centaines de MeV, et sont donc inadaptés aux expériences de diffraction. De plus, le taux de répétition de ces lasers de haute puissance est limité à quelques Hz, ce qui est insuffisant pour des expériences exigeant une bonne statistique de mesure. Notre groupe a utilisé un laser de pointe développé au laboratoire par le groupe PCO générant des impulsions de quelques millijoules, d’une durée de 3.4 fs - à peine 1.3 cycle optique - à une cadence de 1 kHz, pour accélérer des électrons par onde de sillage. Ce travail de thèse présente d’une part la première démonstration d’un accélérateur des particules relativistes opéré dans le régime de la bulle à haute cadence. L’utilisation de buses microscopiques a permis l’obtention de charges de dizaines de pC par tir. De plus, cette thèse vise à l’élargissement de notre compréhension des lois d’échelle d’accélération laser-plasma. Nous espérons que notre travail visant à la fiabilisation et l’optimisation de cette source permettra à terme de proposer un instrument accessible et fiable à la communauté scientifique, que ce soit pour la diffraction d’électrons, l’irradiation ultra-brève d’échantillons ou la génération de rayons XContinuing progress in laser technology has enabled dramatic advances in laser wakefield acceleration (LWFA), a technique that permits driving particles by electric fields three orders of magnitude higher than in conventional radio-frequency accelerators. Due to significantly reduced space charge and velocity dispersion effects, the resultant relativistic electron bunches have also been identified as a candidate tool to achieve unprecedented sub-10 fs temporal resolution in ultrafast electron diffraction (UED) experiments. High repetition rate operation is desirable to improve data collection statistics and thus washout shot-to-shot charge fluctuations inherent to plasma accelerators. It is well known that high-quality electron beams can be achieved in the blowout, or "bubble" regime, which is at present regularly accessed with ≈ 30 fs Joule-class lasers that can perform up to few shots per second. Our group on the contraryutilized a cutting edge laser system producing few-mJ pulses compressed nearly to a single optical cycle (3.4 fs) to demonstrate for the first time an MeV-grade particle accelerator with properties characteristic to the blowout regime operating at 1 kHz repetition rate. We further investigate the plasma density profile and exact laser pulse waveform effects on the source output, and show that using special gas microjets a charge of tens of pC/shot can be achieved. We expect this technique to lead to a generation of highly accessible and robust instruments for the scientific community to conduct UED experiments or to be used for other applications. This work also serves to expand our knowledge on the scalability of laser-plasma acceleration
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Fuchs, Julien. "Interaction laser-plasma en régime relativiste dans le contexte de l'allumeur rapide. Propagation dans les plasmas sous-critiques et sur-critiques." Paris 11, 1998. http://www.theses.fr/1998PA112169.
Abstract:
Cette these de doctorat, entreprise en co-tutelle entre l'inrs-energie et materiaux (quebec) et le laboratoire luli du cnrs (ecole polytechnique, france), vise a tester experimentalement certains des concepts relatifs a une nouvelle approche pour la fusion par confinement inertiel : l'allumeur rapide (ou fast ignitor). Cette approche complementaire est imaginee pour provoquer un allumage externe d'une cible en voie de compression, ceci grace a des faisceaux lasers ultra-brefs (femtosecondes) et extremement intenses (> 10#1#9 w. Cm##2). Ce concept novateur, venant en complement des etapes classiques de compression, fait appel a deux etapes successives. Dans une premiere phase, une impulsion doit se propager sur des millimetres dans le plasma de couronne du combustible ou elle creuse un canal de densite evide. A cet egard, lors de ces travaux, nous avons (i) demontre la faisabilite de canaux de densite creux et (ii) mis en evidence de phenomenes comme la generation de forts champs magnetiques toroidaux statiques ( 30 mg) ou la generation d'electrons ultra rapides (jusqu'a 20 mev). Aidee par ces divers phenomenes, nous avons pu montrer qu'a tres haute intensite, la propagation peut rester efficace sur de grandes longueurs par autoguidage dans le canal cree par l'impulsion elle-meme. Dans une seconde phase, une autre impulsion doit se propager dans le canal et vient interagir, au plus pres du coeur comprime, avec la matiere dense. Pour la premiere fois, nous avons effectivement demontre la transmission d'impulsions tres intenses a travers des plasmas nettement sur-critiques (classiquement interdits). Enfin, nous avons contribue a caracteriser les electrons suprathermiques generes par l'impulsion intense qui doivent deposer leur energie dans la matiere dense et declencher l'ignition. Ces divers resultats constituent autant d'encouragements pour le concept d'allumeur rapide. Pour tous ces travaux, le dialogue etabli avec les theoriciens du centre de physique theorique de l'ecole polytechnique (france) a ete essentiel puisqu'il a permis de mettre sur pied un programme de comparaison et de comprehension entre experiences et simulations. Les simulations ainsi validees vont permettre de realiser des predictions sur de nouveaux regimes d'etudes encore inaccessibles experimentalement.
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Böhle, Frederik. "Near-single-cycle laser for driving relativistic plasma mirrors at kHz repetition rate - development and application." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLX116/document.
Abstract:
Les impulsions laser ultrabrèves nous permettent de suivre en temps réel les phénomènes ultrarapides au sein de la matière à l’échelle microscopique. C’est précisément pour l’invention de la chimie à l’échelle femtoseconde, ou femtochimie, qu’Ahmed Zewail se vit décerner le prix Nobel de chimie en 1999. Depuis les utilisateurs du laser cherchent à augmenter la résolution temporelle, c’est-à-dire réduire la durée des impulsions laser. Aujourd’hui, nous savons générer des flashs lumineux à l’échelle attoseconde dans le domaine spectral de l’extrême ultraviolet (XUV) mais l’efficacité de génération reste faible et le développement de sources laser attosecondes intenses constitue un sujet de recherche très actif sur le plan international.Notre groupe au LOA se concentre sur la génération d’impulsions attoseconde sur miroir plasma en régime relativiste. Pour cela, il cherche à développer une source d’impulsions femtosecondes à forte cadence et fort contraste et suffisamment énergétiques pour atteindre des intensités relativistes (>> 10^18W/cm2) lorsqu’elles sont fortement focalisées sur un plasma surdense. Un plasma surdense réfléchit la lumière incidente et par conséquent agit comme un miroir qui se déplaçant à vitesse relativiste et qui comprime l’impulsion incidente, produisant ainsi un flash attoseconde par cycle optique. En utilisant des impulsions proches d’un cycle optique, il est donc envisageable de générer une seule impulsion attoseconde intense pendant l’interaction.Dans la première partie de mon travail de thèse, j’ai réalisé un compresseur nonlinéaire pour réduire la durée des impulsions issues d’une chaîne à double dérive de fréquence (10mJ, 25fs, 1kHz) à phase enveloppe-porteuse (CEP) stabilisée. En propageant les impulsions du laser à haute intensité dans une fibre creuse remplie de gaz rare, j’ai réussi à générer des impulsions de 1.3 cycle optique avec une puissance crête autour de 1TW avec une CEP stabilisée. Dans un deuxième temps, j’ai mis en forme spatialement et temporellement les impulsions issues du compresseur à fibre pour générer à la fois des impulsions attosecondes intenses et des faisceaux d’électrons énergétiques sur un miroir plasma à gradient de densité contrôlé. Ces expériences nous permis, pour la première fois, de mettre en évidence la production d’impulsions attosecondes isolées dans l’XUV, l’émission corrélée de faisceaux d’électrons énergétiques en régime relativiste ainsi qu’un nouveau régime d’accélération d’électrons à très long gradient plasmaVery short light pulses allow us to resolve ultrafast processes in molecules, atoms and condensed matter. This started with the advent of Femtochemistry, for which Ahmed Zewail received the Novel Prize in Chemistry in 1999. Ever since, researcher have been trying to push the temporal resolution further and we have now reached attosecond pulse durations. Their generation, however, remains very challenging and various different generation mechanisms are the topic of heated research around the world.Our group focuses on attosecond pulse generation and ultrashort electron bunch acceleration on solid targets. In particular, this thesis deals with the upgrade of a high intensity, high contrast, kHz, femtosecond laser chain to reach the relativistic interaction regime on solid targets. Few cycle driving laser pulses should allow the generation of intense isolated attosecond pulses. A requirement to perform true attosecond pump-probe exeriments.To achive this, a HCF postcompression scheme has been conceived and implemented to shorten the duration of a traditional laser amplifier. With this a peak intensity of 1TW was achieved with near-single-cycle pulse duration. For controlled experiments, a vacuum beamline was developed and implemented to accurately control the laser and plasma conditions on target.During the second part of this thesis, this laser chain was put in action to drive relativistic harmonic generation on solid targets. It was the first time ever that this has been achieved at 1 kHz. By CEP gating the few-cycle-pulses, single attosecond pulses were generated. This conclusion has been supported by numerical simulations. Additionally a new regime to accelerate electron bunches on soft gradients has been detected
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Parachoniak, Ronald D. "Numerical experiments using an electrostatic, relativistic plasma simulation code." Thesis, University of British Columbia, 1986. http://hdl.handle.net/2429/26023.
Abstract:
A 1-1/2 dimensional electrostatic, relativistic, plasma simulation model was constructed, implemented on the UBC FPS array processor, and tested by solving three problems in plasma physics. The model will handle a variety of different initial conditions including cold plasmas, cold beams, and drifting maxwellians. Relativistic particle velocities are properly modelled and up to two species of particles may be specified. The numerical experiments run with the model included cold plasma oscillations, cold and warm two-stream instabilities, and Landau damping. Results of the simulations were compared to theory and excellent agreement was obtained in all the cases studied. The model may now be used with confidence to research various (relativistic) electrostatic problems. It could also be modified to make it fully electromagnetic, in which case it would be useful for simulating many additional phenomena, including laser-plasma interactions.Science, Faculty of
Physics and Astronomy, Department of
Graduate
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Mangles, Stuart Peter David. "Measurements of relativistic electrons from intense laser-plasma interactions." Thesis, Imperial College London, 2005. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.417730.
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Gallacher, Jordan G. "Relativistic electrons and radiation from intense laser-plasma sources." Thesis, University of Strathclyde, 2010. http://oleg.lib.strath.ac.uk:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=15481.
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Qin, GuangYou. "Penetrating probes in relativistic heavy ion collisions." Thesis, McGill University, 2008. http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=115878.
Abstract:
In this dissertation, the phenomenology of electromagnetic radiation and high transverse momentum jets in relativistic heavy ion collisions is investigated. These are two very important probes to study the strongly interacting matter at extreme temperatures and/or densities and to investigate the possibility of a phase transition between hadronic matter and quark-gluon plasma (QGP). First, a new channel of direct photon production from a charge-asymmetric QGP is explored in the effective theory of quantum chromodynamics (QCD) at high temperature. The photon production from this new channel is found to be suppressed compared to QCD annihilation process and Compton scattering at low baryon density, but might assume significance in baryon-rich matter. Second, the radiative jet energy loss in a three-dimensional ideal hydrodynamical medium is studied for Au+Au collisions at Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC). A systematic analysis of the nuclear modification factor RAA is presented for pi0 production at high pT in central and non-central collisions, at mid and forward rapidity. Third, jet energy loss by elastic collisions is consistently incorporated in the same formalism and applied to the study of jet quenching at RHIC. It is found that the nuclear modification factor RAA for pi0 in relativistic heavy ion collisions is sensitive to both collisional and radiative energy loss, while the average energy loss is less affected by the inclusion of collisional energy loss. Last, the nuclear suppression of photon-tagged jets at high pT is studied by incorporating not only direct photons, but the additional sources from fragmentation and jet-plasma interaction. We find that these additional sources are very important for a complete study of the correlations between hard photons and hadrons and even dominate in some kinetic regime.
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Faure, Jérôme. "Accélération de particules par interaction laser-plasma dans le régime relativiste." Habilitation à diriger des recherches, Université Paris Sud - Paris XI, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00404354.
Abstract:
Ce mémoire de HDR résume les dix dernières années de recherche effectuée au Laboratoire d'Optique Appliquée sur l'accélération d'électrons par interaction laser-plasma. Les résultats principaux sont l'obtention d'une source d'électrons relativiste (100-300 MeV), mono-énergétique, ultracourte (quelques fs), compacte (quelques millimètres), stable et réglable. Le manuscrit décrit les étapes qui ont permis d'élucider la physique en jeu puis de la maîtriser, ce qui a finalement abouti à la génération de cette nouvelle source. Les aspects de propagation non linéaire de l'impulsion laser dans un plasma sous-dense sont tout d'abord traités: la création d'onde de sillage linéaire et non linéaire, l'auto-focalisation relativiste et pondéromotrice d'impulsions courtes et intenses, l'auto-compression dans les ondes plasmas. Puis l'accélération et l'injection des électrons dans les ondes de sillage est rappelée d'un point de vue théorique. La démonstration expérimentale de l'injection des électrons dans le régime de la bulle et/ou par collision de deux impulsions laser est ensuite développée. Ces expériences ont été parmi les premières à permettre l'obtention de faisceaux mono-énergétiques de bonne qualité dans un premier temps, et stable et réglable dans un deuxième temps. Les deux derniers chapitres sont consacrés aux diagnostics du faisceau d'électrons par rayonnement de transition puis aux applications en radiographie gamma et radiothérapie. Finalement les perspectives de cette recherche sont présentées en conclusion. En particulier, on s'est intéressé aux paramètres atteignables sur les lasers petawatt en cours de construction.
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Al-Naseri, Haidar. "Quantum kinetic relativistic theory of linearized waves in magnetized plasmas." Thesis, Umeå universitet, Institutionen för fysik, 2018. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:umu:diva-150292.
Abstract:
In this work we have studied linear wave propagation in magnetized plasmas using a fully relativistic kinetic equation of spin-1/2 particles in the long scale approximation. The linearized kinetic equation is very long and complicated, hence we worked with restricted geometries in order to simplify the calculations. The dispersion relation of the relativistic model was calculated and compared with a dispersion relation from a previous work at the semi-relativistic limit. Moreover, a new mode was discovered that survives in the zero temperature limit. The origin of the mode in the kinetic equation was discussed and derived from a non-relativistic kinetic equation from a previous work.
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Krivenski, Vladimir. "Étude cinétique relativiste du chauffage et de la génération de courant cyclotroniques électroniques dans un tokamak." Nancy 1, 1988. http://www.theses.fr/1988NAN10281.
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Capdessus, Rémi. "Dynamique d'un plasma non collisionnel interagissant avec une impulsion laser ultra-intense." Thesis, Bordeaux 1, 2013. http://www.theses.fr/2013BOR15268/document.
Abstract:
L'interaction d'un plasma avec une impulsion laser-intense suscite de plus en plus d'intérêt du fait des progrès en matière de technologie laser d'outils numériques. La réaction du rayonnement affecte la dynamique des électrons, celle du rayonnement synchrotron, ainsi que celle des ions via le champ de séparation de charge, pour des intensités laser supérieures à 10puissance22 W/CM2. les équations cinétiques régissant le transport de particules à ultra-haute intensité ont été obtenues. La réaction du rayonnement implique la contraction du volum de l'epace des phases des électrons A l'aide de simulations numériques nous avons démontré la forte rétro-action que les effets collectifs induisent sur le rayonnement synchrotron généré par les électons accélérés. L'importance des effets collectifs dépend fortement de la masse des ions et de l'épaisseur du plasma considéré. Ces effets pourraient être vérifiés expérimentalement avec des cibles cryogéniques d'hydrogèneRésumé en anglais
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Jäckel, Oliver. "Characterisation of ion acceleration with relativistic laser-plasmas." Tönning Lübeck Marburg Der Andere Verl, 2009. http://d-nb.info/995862729/04.
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Cantono, Giada. "Relativistic Plasmonics for Ultra-Short Radiation Sources." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017SACLS353/document.
Abstract:
La plasmonique étudie le couplage entre le rayonnement électromagnétique et les oscillations collectives des électrons dans un matériel. Les plasmons de surface (SPs), notamment, ont la capacité de concentrer le champ électromagnétique sur des distances micrométriques, ce qui les rend intéressants pour le développement des dispositifs photoniques les plus novateurs. 'Etendre l'excitation de SPs au régime de champs élevés, où les électrons oscillent à des vitesses relativistes, ouvre des perspectives stimulantes pour la manipulation de la lumière laser ultra-intense et le développement de sources de rayonnement énergétiques et à courte durée. En fait, l'excitation de modes résonnants du plasma est l'une des stratégies possibles pour transférer efficacement l'énergie d'une impulsion laser ultra-puissante à une cible solide, cela étant parmi les défis actuels dans la physique de l’interaction laser-matière à haute intensité. Dans le cadre de ces deux sujets, ce travail de thèse démontre la possibilité d'exciter de façon résonnante des plasmons de surface avec des impulsions laser ultra-intenses. Elle étudie comment ces ondes peuvent à la fois accélérer de paquets d'électrons relativistes le long de la surface de la cible mais aussi augmenter la génération d'harmoniques d'ordre élevé de la fréquence laser. Ces deux processus ont été caractérisés avec de nombreuses expériences et simulations numériques. En utilisant un schéma d’interaction standard de la plasmonique classique, les SPs sont excités sur des cibles dont la surface présente une modulation périodique régulière à l'échelle micrométrique (cibles réseau). Dans ce cas, les propriétés de l'émission d'électrons tout comme celles des harmoniques permettent d’envisager leur utilisation dans des application pratiques. En réussissant à dépasser les principaux problèmes conceptuels et techniques qui jusqu'au présent avaient empêché l'application d'effets plasmoniques dans le régime de champs élevés, ces résultats apportent un intérêt nouveau à l'exploration de la Plasmonique RelativistePlasmonics studies how the electromagnetic radiation couples with the collective oscillations of the electrons within a medium. Surface plasmons (SPs), in particular, have a well-established role in the development of forefront photonic devices, as they allow for strong enhancement of the local EM field over sub-micrometric dimensions. Promoting the SP excitation to the high-field regime, where the electrons quiver at relativistic velocities, would open stimulating perspectives for the both the manipulation of ultra-intense laser light and the development of energetic, short radiation sources. Indeed, the excitation of resonant plasma modes is a possible strategy to efficiently deliver the energy of a high-power laser to a solid target, this being among the current challenges in the physics of highly-intense laser-matter interaction. Gathering these topics, this thesis demonstrates the opportunity of resonant surface plasmon excitation at ultra-high laser intensities by studying how such waves accelerate bunches of relativistic electrons along the target surface and how they enhance the generation of high-order harmonics of the laser frequency. Both these processes have been investigated with numerous experiments and extensive numerical simulations. Adopting a standard configuration from classical plasmonics, SPs are excited on solid, wavelength-scale grating targets. In their presence, both electron and harmonic emissions exhibit remarkable features that support the conception of practical applications. Putting aside some major technical and conceptual issues discouraging the applicability of plasmonic effects in the high-field regime, these results are expected to mark new promises to the exploration of Relativistic Plasmonics
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Snyder, Joseph Clinton. "Leveraging Microscience to Manipulate Laser-Plasma Interactions at Relativistic Intensities." The Ohio State University, 2017. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1483626346580096.
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Nagel, Sabrina Roswitha. "Studies of Electron Acceleration Mechanisms in Relativistic Laser-Plasma Interactions." Thesis, Imperial College London, 2009. http://hdl.handle.net/10044/1/4639.
Abstract:
Laser-plasma interactions have many potential applications, such as medical treatments,x-ray generation, particle acceleration and inertial confinement fusion (ICF).In all of these applications, understanding how laser energy is absorbed by the materialand converted into energetic electrons is very important. Therefore it is vitalto enhance the understanding of how these energetic electrons are created and whatmechanisms influence them. This Thesis comprises experimental studies of electron acceleration mechanismsin laser-plasma interactions, as well as simulations relevant to these experiments. The experiments described were conducted at the Rutherford Appleton Laboratoryutilising the VULCAN laser facility, and investigate laser interactions with both underdenseand overdense plasmas. In the underdense regime, the intensity dependence of the accelerated electronshas been studied experimentally, as well as the impact of the focusing geometry onthe generation of hot electrons. For high intensities, experimental measurementsshow a scaling of the temperature of the electrons with a0. Density and f-numberdependencies of the accelerated electrons are also observed. The effect of laser polarisation and target thickness on the escaping electronsis studied for laser interactions with solid targets, or overdense plasmas. It wasfound that the effective temperature of the electrons depends on both the laserpolarisation and the target thickness. The electron production from ultra-thin foils,and the effect of laser pre-pulse are also investigated.
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Ignesti, Alessandro <1992>. "Interplay between relativistic and thermal plasma in relaxed galaxy clusters." Doctoral thesis, Alma Mater Studiorum - Università di Bologna, 2021. http://amsdottorato.unibo.it/9827/1/PhD_Thesis_Ignesti_revised.pdf.
Abstract:
Galaxy clusters are complex ecosystems, where galaxies with powerful active galactic nuclei, thermal plasma, magnetic fields, and cosmic rays can interact and flourish in spectacular astrophysical phenomena. Decades of studies have investigated these systems, and as the boundaries of our knowledge were pushed forward, new questions emerged awaiting to be answered. The main focus of this Thesis is the interplay between the relativistic and thermal plasma of the intra-cluster medium. The study of the intra-cluster medium (ICM) allows to understand the way energy is injected from large scale dynamics and dissipated in different channels. These channels include viscous heating and
the generation of non-thermal components that, eventually, generate diffuse radio emission. Furthermore, studying the ICM provides complementary insights into the physics of cluster galaxy evolution. We mainly focus on the case of relaxed galaxy clusters, where the connection between the central, massive, radio-loud galaxies and the diffuse radio emission is still unclear. In this context, we investigate also the interactions between the ICM and the cluster galaxies. The cornerstone of our works is a multi-wavelength analysis based on radio and X-ray observations, which features brand-new Low-Frequency Array (LOFAR) observations and new approaches to the study of the spatial correlation between these emissions.
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Metens, Thierry. "Théorie cinétique du transport dans un plasma relativiste. Application au current drive." Doctoral thesis, Universite Libre de Bruxelles, 1989. http://hdl.handle.net/2013/ULB-DIPOT:oai:dipot.ulb.ac.be:2013/213251.
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Wen, Haibao. "Aspects of high field theory in relativistic plasmas." Thesis, Lancaster University, 2012. http://eprints.lancs.ac.uk/76598/.
Abstract:
This thesis is concerned with plasmas and high field physics. We investigate the oscillations of relativistic plasmas using a kinetic description (Chapter II), a macroscopic fluid moment description (Chapter III), a quantum description (Chapter IV as a brief exploration) and Born-Infeld electrodynamics (Chapter V). Using a kinetic description, we examine the non-linear electrostatic oscillations of waterbag-distributed plasmas and obtain the maximum electric field Emax (Chapter II). Using a macroscopic fluid moment description with the closure of the Equations Of State (EOSs), we obtain the maximum electric field Emax of electrostatic oscillations for various waterbag-distributed electron fluids, which may imply the advantages of some fluids with particular EOSs in the aspect of particle acceleration. Furthermore, we find that fluids with a more general class of EOSs may have the same advantages (Chapter III). A brief numerical calculation of an ODE system originating from the Maxwell equations and a Madelung decomposition of the Klein-Gorden equation with a U(1) field shows that electrostatic oscillations decay in a Klein-Gorden plasma due to quantum effects (Chapter IV). With calculations using the Born-Infeld equations and the Lorentz equation, we investigate the electrostatic and electromagnetic oscillations in cold plasmas in Born-Infeld electrodynamics (Chapter V). For the electrostatic oscillations we find that the electric field of Born-Infeld electrodynamics behaves differently from that of Maxwell electrodynamics. However, Born-Infeld electrodynamics gives the same prediction as Maxwell electrodynamics for the maximum energy that a test electron may obtain in an electrostatic wave (Section VA). For electromagnetic waves, the dispersion relation and the cutoff frequencies of the “R”, “L” and “X” modes of electromagnetic waves in Born-Infeld cold plasma are deduced to be different from those in Maxwell cold plasma. The cutoff frequencies (when the index of refraction n → 0) are also obtained, showing the advantage of “O” mode waves for the acceleration of particles (Section VB).
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Bindslev, Henrik. "On the theory of Thomson scattering and reflectometry in a relativistic magnetized plasma." Thesis, University of Oxford, 1992. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.314912.
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Janson, Oskar. "Gravitational Wave Interaction in a Vlasov Plasma." Thesis, Umeå universitet, Institutionen för fysik, 2013. http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:umu:diva-72776.
Abstract:
Gravitational waves are predicted by Einstein’s general theory of relativity and have so far only been indirectly detected. The first direct detection should however only be a matter of time, with observatories across the world working hard to detect them. Once gravitational waves are detected they are predicted to be very useful in the field of astronomy. In order to be able to successfully interpret measurements from gravitational waves we need to have knowledge of how the wave is affected by its medium of propagation. Because of that, the purpose of this thesis is to investigate the behaviour of gravitational waves in the medium of a magnetised plasma. Using a kinetic plasma model, Einstein’s field equations and tetrad formalism, a general solution for a gravitational wave propagating in the medium is derived. The general solution is then used to find the dispersion relation of the gravitational wave for two special cases: the case of Alfvén resonance and the case of cyclotron resonance. The Alfvén case is already studied in the literature and is found to match the previous results saying it will not affect the wave much. The cyclotron resonance case is new and was chosen it can magnify the effects of the particles on the gravitational wave. The cases are studied with regards to detectability of a medium induced dispersion. The influence on the gravitational wave propagation is, however, found to be too small for dispersive effects to be detected in the cases studiedGravitationsvågor förutses i Einsteins allmänna relativitetsteori och har så här långt endast blivit indirekt detekterade. Den första direkta detektionen är dock bara en tidsfråga och observatorier runtom i världen arbetar hårt för att lyckas med den. Då gravitationsvågor väl är detekterade sägs de ha stor potential inom astronomi. För att man ska kunna tolka mätdata från gravitationsvågor behöver man veta hur vågen beter sig i propagationsmediet. Av den anledningen är syftet med detta examensarbete att undersöka hur gravitationsvågor beter sig i ett magnetiserat plasma. Med hjälp av en modell för kinetisk plasma, Einsteins fältekvationer och tetradformalism härleds en allmän lösning för en gravitationsvåg som propagerar i en magnetiserad plasma fram. Lösningen används därefter för att hitta dispersionsrelationen för gravitationsvågen givet två specialfall: fallet för Alfvénresonans och fallet för cyklotronresonens. Alfvénfallet är redan studerat i tidigare litteratur och resultatet man hittar visar sig stämma överens med det tidigare funna resultatet som säger att det inte har en märkbar påverkan på vågen. Cyklotronresonansfallet är nytt och valdes eftersom att det kan förstärka de effekter som partiklarna har på gravitationsvågen. De båda specialfallen studeras närmare med avseende på detektion av en dispersion inducerad av mediet. Påverkan på gravitationsvågens propagation sluts dock till att vara för liten för att den ska bli uppmätt i de undersökta fallen.
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Link, Anthony John. "Specular Reflectivity and Suprathermal Electron Measurements from Relativistic Laser Plasma Interactions." The Ohio State University, 2010. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1268149986.
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Augst, Nathalie. "Etude théorique et expérimentale d'un klystron relativiste à effet de porte." Palaiseau, Ecole polytechnique, 1992. http://www.theses.fr/1992EPXX0010.
Abstract:
La construction d'un klystron relativiste à effet de porte en bande x, version amplificateur, nécessite d'une part la définition d'une structure hyperfréquence appropriée (constituée d'un tube de glissement de petit diamètre, d'au moins deux cavités et d'une source de puissance), d'autre part la maitrise d'un faisceau d'électrons intense, annulaire et proche des parois du tube. L'interaction du faisceau avec la cavité d'entrée, dont le rôle est de donner lieu à une pré-modulation du courant a 9. 5 ghz, fait l'objet d'une étude expérimentale, analytique et numérique. En régime petit signal, l'effet de porte doit conduire à une modulation de courant efficace après la deuxième cavité, mais il survient dès la première cavitée si la puissance de la source ou le courant de faisceau sont suffisantes.
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Melzani, Mickaël. "Reconnexion magnétique non-collisionelle dans les plasmas relativistes et simulations particle-in-cell." Thesis, Lyon, École normale supérieure, 2014. http://www.theses.fr/2014ENSL0946/document.
Abstract:
L'objectif de cette thèse est l'étude de la reconnexion magnétique dans les plasmas non-collisionels et relativistes. De tels plasmas sont présents dans divers objets astrophysiques (MQs, AGNs, GRBs...), où la reconnexion pourrait expliquer la production de particules et de radiation de haute énergie, un chauffage, ou des jets. Une compréhension fondamentale de la reconnexion n'est cependant toujours pas acquise, en particulier dans les plasmas relativistes ion-électron. Nous présentons d'abord les bases de la reconnexion magnétique. Nous démontrons des résultats particuliers à la physique des plasmas relativistes, concernant par exemple la distribution de Maxwell-Jüttner. Ensuite, nous réalisons une étude détaillée de l'outil numérique utilisé : les simulations particle-in-cell (PIC). Le fait que le plasma réel contienne beaucoup plus de particules que le plasma PIC a des conséquences importantes (collisionalité, relaxation, bruit) que nous décrivons. Enfin, nous étudions la reconnexion magnétique dans les plasmas ion-électron et relativistes à l'aide de simulations PIC. Nous soulignons des points spécifiques : loi d'Ohm (l'inertie de bulk dominante), zone de diffusion, taux de reconnexion (et sa normalisation relativiste). Les ions et les électrons produisent des lois de puissance, avec un index qui dépend de la vitesse d'Alfvén et de la magnétisation, et qui peut être plus dur que dans le cas des chocs non-collisionels. De plus, les ions peuvent avoir plus ou moins d'énergie que les électrons selon la valeur du champ guide. Ces résultats fournissent une base solide à des modèles d'objets astrophysiques qui, jusque là, supposaient a priori ces résultatsThe purpose of this thesis is to study magnetic reconnection in collisionless and relativistic plasmas. Such plasmas can be encountered in various astrophysical objects (microquasars, AGNs, GRBs...), where reconnection could explain high-energy particle and photon production, plasma heating, or transient large-scale outflows. However, a first principle understanding of reconnection is still lacking, especially in relativistic ion-electron plasmas. We first present the basis of reconnection physics. We derive results relevant to relativistic plasma physics, including properties of the Maxwell-Jüttner distribution. Then, we provide a detailed study of our numerical tool, particle-in-cell simulations (PIC). The fact that the real plasma contains far less particles than the PIC plasma has important consequences concerning relaxation times or noise, that we describe. Finally, we study relativistic reconnection in ion-electron plasmas with PIC simulations. We stress outstanding properties: Ohm's law (dominated by bulk inertia), structure of the diffusion zone, energy content of the outflows (thermally dominated), reconnection rate (and its relativistic normalization). Ions and electrons produce power law distributions, with indexes that depend on the inflow Alfvén speed and on the magnetization of the corresponding species. They can be harder than those produced by collisionless shocks. Also, ions can get more or less energy than the electrons, depending on the guide field strength. These results provide a solid ground for astrophysical models that, up to now, assumed with no prior justification the existence of such distributions or of such ion/electron energy repartition
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Kemp, Gregory Elijah. "Specular Reflectivity and Hot-Electron Generation in High-Contrast Relativistic Laser-Plasma Interactions." The Ohio State University, 2013. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=osu1375386740.
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Yaseen, Mohammad. "DESCRIBING THE DYNAMICS OF THE QUARK-GLUON PLASMA USING RELATIVISTIC VISCOUS HYDRODYNAMICS." Kent State University / OhioLINK, 2016. http://rave.ohiolink.edu/etdc/view?acc_num=kent1469679328.
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Manclossi, Mauro. "Interaction laser plasma dans le régime relativiste : Application à la production de sources ultrabrèves de particules énergétiques." Phd thesis, Ecole Polytechnique X, 2006. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00002571.
Abstract:
Cette thèse est liée à la recherche sur la fusion inertielle, et elle concerne en particulier l'approche de l'allumage rapide, qui est basée sur l'utilisation des impulsions laser ultra-intenses pour allumer le combustible thermonucléaire. Jusqu'ici, la praticabilité de ce schéma n'a pas été prouvée et dépend de beaucoup d'aspects fondamentaux de la physique impliquée, qui ne sont pas encore entièrement compris et qui sont aussi très loin d'être contrôles. Le but principal de ce travail de thèse est l'étude expérimentale des processus du transport dans la matière sur-dense (solide) et sous-dense (jet de gaz) d'un faisceau d'électrons rapides produit par des impulsions laser à une intensité de quelques 1019 Wcm−2.
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Owen, J. A. "Effects of the relativistic correction to the electron mass on electron cyclotron current drive." Thesis, University of St Andrews, 1985. http://ethos.bl.uk/OrderDetails.do?uin=uk.bl.ethos.370602.
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Chen, Cliff D. (Cliff Ding Yu). "Spectrum and conversion efficiency measurements of suprathermal electrons from relativistic laser plasma interactions." Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2009. http://hdl.handle.net/1721.1/53213.
Abstract:
Thesis (Ph. D.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Physics, 2009.Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (p. 147-156).
Fast Ignition is an alternative scheme for Inertial Confinement Fusion (ICF) that uses a petawatt laser to ignite a hot spot in precompressed fuel. The laser delivers its energy into relativistic electrons at the critical surface of the blowoff plasma. These electrons must propagate to the fuel core and deliver their energy to a hot spot. Electrons of energies between 1 and 3 MeV have the appropriate range for efficient energy deposition. This thesis experimentally explores the coupling efficiency and spectrum of the laser produced electrons. The experiments make use of Bremsstrahlung and K-shell emission from planar foil targets to infer the electron distribution produced in the laser-plasma interaction. This thesis describes the development of a filter stack Bremsstrahlung spectrometer with differential sensitivity up to 500 keV. The spectrometer is used with a single photon counting camera for measuring K[alpha] emission in experiments on the Titan laser (1.06 [mu]m, 150 J, 0.7 ps) at Lawrence Livermore National Laboratories. The Bremsstrahlung and K-shell emission from 1 mm3 planar targets irradiated with intensities from 3x1018-8x1019 W/cm2 were measured. The target emission is modeled using the Monte Carlo code Integrated Tiger Series 3.0 in order to unfold the electron spectrum from the x-ray measurements. Conversion efficiencies into 1-3 MeV electrons of 12-28% were inferred, representing 35-60% total conversion efficiencies. Laser diagnostics were used to characterize the laser focal spot and pulselength in order to provide proper comparisons to intensity scaling laws.
(cont.) Comparisons to scaling laws show that the electron spectrum is colder than the laser ponderomotive potential derived from the peak intensity. For intensities above 2 x 1019 W/cm2, the spectrum is slightly hotter than widely used empirical scalings. More accurate comparisons to ponderomotive scaling using a synthetic energy spectra generated from the intensity distribution of the focal spot imply slope temperatures less than the ponderomotive potential, but is within the range of a correction due to the neglect of resistive transport effects. The impact of resistive transport effects were estimated using an analytic transport model and may lead to higher total conversion efficiencies but lower conversion efficiencies into 1-3 MeV electrons.
by Cliff D Chen.
Ph.D.