EXPERIENCES À ULTRA-HAUT CONTRASTE ET ULTRA-HAUTE

INTENSITÉ

Physics at igh ntensity

T. Ceccotti, S. Dobosz, H. Lagadec, F. Quéré, H. George, M. Bougeard, G. Bonnaud, F. Réau, M. Lelek, P. D’Oliveira, C. Thaury, A. Levy, H. Popescu, A.André, A. Flacco, J. Robiche, Ph. MartinColl. J-P. Geindre, P. Audebert, R. Marjoribanks, E. Lefebvre, R. Nuter, A. Andreev

P.Monot

Notre préoccupation scientifique: réponse non linéaire de la matière soumise à des éclairements élevés

?

laser

Solid target

What appens when a short (<100 fs) ultra-intense laser (1018 to 1020 W/cm2) is focused onto a solid taget ?

Notre programme scientifique- Cibles solides: Génération d’harmoniques

Accélération d’ionsDiagnostics XUV

-Cible gazeuses : accélération d’électrons (nouvelle activité)en collaboration avec LULI, LOA, LPGP, ILIL…

laser

Où est la complexité ?( Beaucoup de photons, beaucoup de matière, beaucoup de charge, pas

d ’équilibre )

cible

électrons

-la matière devient rapidement un plasma dense (opaque)-le mouvement des électrons est relativiste, en 100 fs les ions ne bougent pas-les électrons sont forcés par le champ laser à rentrer dans la cible périodiquement-les électrons excitent des ondes plasmas dans la matière dense

temps

-la dynamique est sub femtoseconde (attoseconde<<< électronique)

?

Problème : confrontation laser idéal pour l’expérimentateur/ réalités technologiques

A young and unknown physicist dreaming about imaginative theories concerning general relativity

A realistic but imperfect experimental facility to test general relativity

Un problème “universel”?

laserSolid target

laserSolid target

Low densitypre-plasma

Seuil de dommage

Time (ps)100

Inte

nsity

(W/c

m2 )

-50 0 50

1010

1012

1014

1016

1018

Profil temporel réel

Profil temporel idéal

Fluctuations tir à tir!

laser

target

grating

Génération d’harmoniques?

P.Monot et al, Optics Lett., 29, 893 (2004)

10 11 12

high contrast

low contrast

Harmonic order

La première signature de la réponse non-linéaire de la matière= hamoniques?

Thickness , Emax

FWD

Stronger electron confinement Limited electrons dispersion

A.J. Mackinnon et al., PRL 88, 215006-1 (2002)D. Neely et al., App. Phys. Lett. 89, 021502 (2006)

T. Ceccotti, Phys. Rev. Lett. 99, 185002 (2007)

Ions Rapides?

High contrast

0

1

2

3

4

5

6

0.1 1 10 100 1000

Max

Ene

rgy

(MeV

)

Thickness (µm)

Low contrast

Seuil de dommage

Time (ps)100

Inte

nsity

(W/c

m2 )

-50 0 50

1010

1012

1014

1016

1018

Real temporal profile

Profil temporel idéal

2 problèmes:-Comment supprimer le piédestal -Comment la mesurer avec la dynamique nécessaire

Le problème du profil temporel

Frequency doubling

Frequency mixing Detector

2w=delta fonctionVariable delay line

Acquisition

Development of 4 generations of high dynamic third order crosscorrelators

Principle: probe the temporal profile with a delta function

Delta function=frequency doubling Signal=3

Plasma creationne>ncreflecting plasma

G. Doumy et al., Phys. Rev. E ,2004

Transparent medium

Miroirs Plasmas :commutateurs optiques ultra-rapides

Peut-on supprimer le piédestal? oui!

BV

BC

The pedestal goes through the transparent medium

10 eV1 eV

Multiphotonic absorption or tunnel effect + avalanche

BV

BC

Profil temporel du laser UHI10 -saclay

Sans miroir plasmaAvec miroir plasma

Time (ps)

Inte

sity

(u. a

rb.)

-100 -60 -20 0 20 6010-12

10-10

10-8

10-6

10-4

10-2

100

gain104

10 ordres de grandeur!

10-10

Everest

galet

bactérie

A. Lévy et al., Optics Letters 32, 310 (2007)

Seuil de dommage

Laser beamNumerical simulations of the electronic density dynamic

target

vacuum

vacuum

Fast bwd electronsFast fwd electrons

Plasma wave excitation

Rear face electrons

time

Reproductible experiments close to ideal and computable conditions

I génération d’ Harmoniques d’ordres élevés / solides

II accélération d’ Ions par un miroir plasma

III Conclusion et perspectives

I=8.10 18 W/cm2

Relativistic Oscillating Mirror

Nouvelle source UVX intense et ultra-brève

Génération d’Harmoniques d’ordres élevés sur cible solide -10TWContact F. Quéré

Fast bwd electrons

14 15 16 17 18 19 20

(nm)

20 µJ !

65 60 55 50 45 40 35

Spectre contenant les multiples de la fréquence du laser

Modèle du miroir oscillant

Faisceau laser

2-Champ électrique du laser: induit une oscillation de la surface critique réfléchissante

1-géneration d’un plasma à la densité critique Milieu réfléchissant

Effet Doppler oscillant ou

Auto modulation de phase du faisceau laser

Red shift

t

E

Blue shift

Génération d’ harmoniques par cible solide

(en λ)

I1

I2 > I1

Génération d’ harmoniques par cible solide

Rayonnement cohérent : accès aux propriétés de phase

Time (optical cycle)

Temps d’émission=f(I)

Mesure de la dépendance de la phase par technique interférométrique

Les harmoniques sont des sondes de la dynamique électronique ultra-rapide!

Thaury et al, Nature Physics, 10.1038/nphys986 (2008)

-résultats préliminaires @ 100 TW

Laser UHI100in operation since mid 2009

Intensity ~ 5 1019 W/cm2

On target focal spot

100TW pulses t ≤ 25 fs, Contrast 1013

HHG @ 25 fs Contrast > 1012, ILaser=3x1019W/cm2

Bulk target

CWE+Relativistic Relativistic

7 nm

Very promising results ! – Harmonics are very sensitive to surface quality: 7nm foils remain « mirror like » : signature of an excellent contrast-Harmonic « probe » efficient in conditions relevant to fast ion emission

100 nm

20 nm

Dromey et al, PRL 99, 085001 (2007)Dromey et al, Nature Physics 2, 456 (2006)

I≈2.1020 W.cm-2

II accélération d’ions

target

vacuum

vacuum

Fast bwd electronsFast fwd electrons

Plasma wave excitation

Rear face electrons

time

Contact : T. Ceccotti

e-

e-

protons

Effet courant électronique; épaisseur (cibles<1 µm donc très fragiles ! ) importance du contraste

principe

Choc électrostatique à la discontinuité de matière

H+

C6+

C5+

C4+

C3+

C2+

C+

ForwardForward

FWD H+

Experiment on UHI10 Laser :mylar target, 45° incidence angle, p polarization

Real time single shot ion detection

Accélération d’ions par miroir plasma

High contrast

Low contrast

0

1

2

3

4

5

6

0.1 1 10 100 1000

Max

Ene

rgy

(MeV

)

Thickness (µm)

T. Ceccotti, Phys. Rev. Lett. 99, 185002 (2007)

S.C. Wilks et al., Phys. of Plasmas 8, 542 (2001)TNSA

+++

---

H+

C6+

C5+

C4+

C3+

C2+

C+

ForwardForward

FWD H+

Experiment on UHI10 Laser :mylar target, 45° incidence angle, p polarization

BackwardBackward

BWD H+

Accélération d’ions par miroir plasma

De l’oscillateur harmonique à la soupe

++++++++

++++++++

-

-- ---

- --

- -

-

Résultats expériences @ Haut Contraste

Cible: 1.5 µm CH cible

grille

RCF

laser

maillage = 500 µmmaillage = 12,7 µm

accélération d’ions

BWD H+

IONS@ 25 fs, Semi-infinite TargetsContrast > 1012, ELaser0.85 J, ILaser=3 1019W/cm2

0 5 10 15 20 25 30 3501234567

Laser Power (TW)

Max

pro

ton

Ene

rgy

(MeV

)

1PW

150 MeV

Application en proton - thérapie ?

De nouveaux régimes d’interaction ?

SAPHIR projectapplication of

energetic ionic sources to proton

therapy

Amplitude TechnologiesCEA-SaclayLOADosisoftPropulse SASInstitut CurieInstitut Gustave RoussyCentre de Proton-thérapie Orsay

Production de sources brillantes de particules et de lumière

Interaction à ultra-haute contraste et ultra-haute Intensité

Conclusion

- L’étude des sources renseigne sur le scénario de l’interaction, sur la dynamique électronique aux échelles de temps les plus courtes (as)

- Sources brillantes pour des applications ? (ICF, Hadrontherapy, imaging…)

Perspectives : Interaction à 100TW ?

Maîtrise du contraste temporel essentielle

-de nouveaux régimes d’accélération d’ions ? – qq dizaines de MeV ?- applications ? -reconstitution de la dynamique attoseconde du mouvement des électrons -emission dans le domaine du keV ?-GeV electrons ?

Collaborations

K.J.Boller, R. LochLPNO- Twente University

The Netherlands

J.P. Geindre, J.R. Marques LULIFrance

A. Giulietti, L. Gizzi, S. BettiILILItaly

D. GiuliettiINFN Italy

Anatoly, Tania FaenovJAEAJapon

A. Andreev,Vavilov State

Optical InstituteRussia

E. Lefebvre, R. NuterCEA/DAM

France

J. Limpouch, O. Klimo FNSPE, Tech. University

Czech Republic

A. MacchiINFM Italy

J. Faure, V. MalkaLaboratoire d’Optique

AppliquéeFrance

Coherent Wake EmissionHigh Order Harmonic Generation from solid targets

t0 t1

t2t3

Emission from the excited plasma wave: cutoff = plasma frequency

solid

laser

Need to limit the exposure of workers to fast particle and secondary ionizing emission

-Conception and validation of shielded experimental area-Safety protocol-Education of workers-Operational dosimetry

Target

laserplasma

gProtons

Electrons

Neutrons

Ions

XUV

3 CEA units involved: SPAM, SPR(radioprotection unit), SENAC (nuclear expertise and conception)

Avant d’utiliser ce type de laser: nécessité de gérer la sécurité-nouveau dans notre discilpline

Would you risk the life of this young, unknown and promising physicist ?

Accélération d’ions par miroir plasma

1m concrete

CompressorExperimental chamber

calculations

Dedicated Automate for Safety management

« daily » dosimetric measurement

Experimental chamber wall mSv/pulse

Concrete wallvacuumAir

Neutron dose

Concrete wall

1 mExperimental chamber wall

mSv/pulse

vacuumAir

Photon dose

85µSv RPL57µSV FLI

13

10 9

1112

81 2 3 4 56

7

14

3mSv RPL1.2mSV FLI

6.3mSv RPL1.6mSV FLI 14mSv RPL

5mSV FLI5mSv RPL1.8mSV FLI

3mSv RPL1mSV FLI

2mSv RPL0.7SV FLI

1.2mSv RPL0.4mSV FLI

0µSv RPL0µSV FLI

90µSv RPL55µSV FLI 132µSv RPL

258µSV FLI

99µSv RPL63µSV FLI

10mSv RPL4mSV FLI

77µSv RPL55µSV FLI

Typically measured dose=1/4 calculated dose (overestimation of source term for safety)

The Saclay UHI experimental area

Operation agreement with respect to detailed calculations and “daily” dosimetry

Time (ps)3ps

Inte

nsity

(W/c

m2 )

-3ps 0

10 10

10 12

10 14

10 16

10 18

Dammage threshold

UHI10DPMUHI100UHI100 DPM(estimated)

5x1019

5x1018

Expected contrast over the dynamic of today’s correlators

What about the temporal contrast ?

divergence and fluxBWD FWD

0.45 MeV

1.9 MeV

Radiochromic Films measurements

- ------- +++++

E---------++++

+E -----

--- -

TNSA valid for both sides

Ionic acceleration from thin foils @ 10 TW, 60 fs

SYMMETRY of the acceleration !SYMMETRY of the acceleration !

Génération d’Harmoniques d’ordres élevés sur cible solide -10TW

2 mécanismes de génération

Emitted electromagnetic field

Contact F. Quéré

Fast bwd electrons

Fast fwd electrons

Plasma wave excitation

I=3.10 18 W/cm2Cutoff p, n=15

I=8.10 18 W/cm2

Génération d’ harmoniques par cible solide

Relativistic threshold = 5.1018 W/cm2

2) Coherent Wake Emission

Fast fwd electrons

Plasma wave excitation

DPM

Non Linear Filtering with a DPM

compression chamber

experimental chamber