Thèse Modélisation Multi-Physique de Composants Plasma pour l'Accélération d'Électrons à Hautes Énergies par Sillage Laser-Plasma H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas Direction de la thèse : Francesco MASSIMO ORCID 0000000256862537 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59 FR
L'accélération par sillage laser plasma (Laser Wakefield Acceleration, LWFA) d'électrons [1] est un mécanisme basé sur le couplage non linéaire entre des impulsions laser de haute intensité et un plasma, capable de générer des champs accélérateurs extrêmement intenses pour la production de faisceaux d'électrons relativistes sur de courtes distances. Ce mécanisme physique présente un grand intérêt pour un large éventail d'applications, notamment le développement de nouvelles technologies pour les accélérateurs de particules [2, 3].

En particulier, le développement d'accélérateurs d'électrons de haute énergie basés sur la LWFA nécessite de maintenir l'accélération des électrons sur de longues distances, bien au-delà de la longueur de diffraction de l'impulsion laser pilote. Pour atteindre cet objectif, l'impulsion laser doit être guidée ; de manière analogue aux guides d'ondes utilisés pour les lasers de faible intensité, comme les fibres optiques, l'indice de réfraction du plasma peut être mis en forme afin de guider des impulsions laser intenses.

Pour relever ce défi, les canaux plasma issus de l'ionisation par champ électrique du laser se sont révélés être une voie prometteuse [4], qui doit être approfondie. L'objectif du travail proposé est d'explorer de nouvelles approches pour guider des impulsions laser intenses sur de longues distances, afin de fournir des solutions permettant d'accélérer des électrons à haute énergie (au-delà de 1 GeV), pouvant être utilisées à de plus hautes énergies.

Cette étape est cruciale pour plusieurs projets internationaux tels que EuPRAXIA [2] et ALEGRO [3], dans lesquels l'équipe ITFIP du LPGP est fortement impliquée.
Dans le cadre du projet de thèse proposé, mené en collaboration entre le LPGP et le CELIA, le doctorant développera des stratégies numériques pour modéliser la formation de canaux de plasma par ionisation optique ainsi que l'évolution suivie par l'évolution hydrodynamique du plasma. Le candidat intégrera la mise en oeuvre de modèles physiques simulant différentes échelles caractéristiques, en s'appuyant sur des modèles et des codes numériques issus de la littérature existante et développés au cours du projet de thèse.

Les outils et processus de modélisation développés seront essentiels pour concevoir de futures expériences utilisant des canaux de plasma pour la LWFA d'électrons sur de longues distances, vers des énergies dépassant le GeV. Selon les intérêts du doctorant, des contributions aux travaux de l'équipe expérimentale seront également possibles.
FR
L'équipe ITFIP du LPGP est fortement impliquée dans un programme de modélisation théorique et numérique visant à démontrer l'accélération de faisceaux d'électrons relativistes par les ondes de sillage laser-plasma, en utilisant le système laser DRACO du centre de recherche Helmholtz Zentrum [5] ainsi que d'autres installations laser intenses en France et en Europe [6,7].

L'un des principaux défis dans ce domaine est de démontrer un schéma d'accélération utilisant deux étages plasma avec deux impulsions laser pilotes. Un tel schéma permet d'atteindre des énergies maximales plus élevées avec l'accélération par sillage, tout en préservant la qualité du faisceau d'électrons accéléré.

Ce projet réunira l'expertise de l'équipe ITFIP du LPGP sur les codes PIC et celle du CELIA sur les codes hydrodynamiques, offrant un environnement unique pour l'étudiant.e.

EN
The ITFIP team at LPGP is heavily involved in a theoretical and numerical modelling program aiming to demonstrate the acceleration of relativistic electron beams by laser-plasma wakefield waves, using the DRACO laser system at the Helmholtz Zentrum research facility [5] and other intense laser facilities in France and Europe [6,7].

One of the main challenges of this field is to demonstrate an acceleration scheme with two plasma stages and two laser pulses. Such a scheme has the capability to extend the maximum energies achievable with wakefield acceleration, while preserving the accelerated electron beam quality.

This project will bring together the expertise of the LPGP ITFIP team on PIC codes and the expertise of CELIA on hydrodynamic codes, providing a unique environment for the student.
FR
L'objectif principal est de modéliser la formation d'un canal de plasma adapté à l'accélération par sillage laser plasma.

Les étapes prévues sont:
- Modéliser la propagation guidée d'une impulsion laser responsable de l'ionisation d'un gaz sur de longues distances;
- Décrire l'expansion du plasma et la formation du canal qui suit cette phase d'ionisation;
- Évaluer les performances de la configuration pour le guidage d'impulsions laser de haute intensité et pour l'accélération par sillage laser plasma d'électrons dans la gamme multi-GeV.

EN
The main objective is to model the formation of plasma channels suitable for Laser Wakefield Acceleration.

The planned steps aim to:
- model the guided propagation of a laser pulse responsible for gas ionisation over long distances;
- describe the plasma expansion and channel formation following this ionization phase;
- evaluate the performance of the design for guiding high intensity laser pulses and Laser Wakefield Acceleration of electrons in the multi-GeV range.

FR
Une première description de l'ionisation déclenchée par une première impulsion laser sera obtenue à l'aide de codes simulant la propagation optique et l'ionisation.

Des codes de simulation décrivant l'hydrodynamique du plasma seront ensuite couplés afin de simuler l'expansion du plasma et la formation du canal.

Pour simuler avec précision l'accélération par sillage laser de faisceaux d'électrons dans ce canal de plasma, une modélisation Particle-in-Cell (PIC) [8] de l'interaction laser-plasma sera utilisée, par exemple avec le code Smilei [9,10].

EN
A first description of the ionization triggered by a first laser pulse will be obtained with codes simulating optical propagation and ionization.

Simulation codes describing plasma hydrodynamics will be coupled to simulate the subsequent plasma expansion and channel formation.

To accurately simulate laser wakefield acceleration of electron beams in this plasma channel, Particle-in-Cell (PIC) modelling [8] for the laser-plasma interaction, e.g. with the code Smilei [9,10] will be used.

FR
Nous recherchons une personne très motivée pour apporter une contribution significative au domaine de l'accélération par sillage laser plasma (Laser Wakefield Acceleration).

Le profil recherché comprend :
- Un diplôme de Master 2 en physique, ingénierie ou mathématiques appliquées ;
- Un fort intérêt pour la modélisation physique appliquée;
- Une solide compréhension de l'électromagnétisme, de la dynamique relativiste classique et de l'optique;
- De bonnes connaissances en physique des plasmas;
- Une maîtrise du langage Python et des notions de base en LaTeX;
- Des connaissances de base des méthodes numériques pour la résolution d'équations différentielles (par exemple : différences finies, volumes finis, éléments finis, méthodes spectrales);
- Au moins une expérience dans le développement d'un solveur numérique pour une équation différentielle ou dans la mise en place d'un diagnostic pour un programme de simulation numérique;
- Une très bonne maîtrise de l'anglais écrit et oral, permettant de comprendre la littérature scientifique, de présenter des résultats lors de conférences internationales et de rédiger des publications (une expérience préalable n'est pas requise);
- De la rigueur, une aptitude analytique développée, une habitude de la réflexion critique, de la résolution de problèmes et de la gestion efficace du temps;
- La capacité ou la volonté de travailler efficacement en équipe et avec des collaborateurs/collaboratrices aux profils variés;
- La capacité à expliquer et à synthétiser des concepts et des résultats pour des personnes issues de disciplines diverses.

Les compétences et expériences suivantes seront considérées comme des atouts :
- Des connaissances de base en accélération par sillage laser plasma;
- Des connaissances de base sur la dynamique des faisceaux de particules chargées et la physique des accélérateurs (concepts d'émittance, de charge d'espace, d'équations d'enveloppe pour un faisceau d'électrons);
- Une expérience dans l'utilisation ou le développement d'un code de type Particle-in-Cell (PIC);
- Une expérience dans l'interfaçage entre différents codes de simulation;
- Une expérience avec des logiciels de gestion de versions et de développement collaboratif tels que GitHub, GitLab ou Mercurial.