Thèse Amélioration du Contraste Temporel d'Un Laser de Haute Puissance pour Optimiser la Génération d'Harmoniques d'Ordre Élevé sur Miroir Plasma Relativiste H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut Polytechnique de Paris École nationale supérieure de techniques avancées École doctorale : Ecole Doctorale de l'Institut Polytechnique de Paris Laboratoire de recherche : Laboratoire d'Optique Appliquée Direction de la thèse : Antoine ROUSSE ORCID 0000000308859285 Début de la thèse : 2026-09-15 Date limite de candidature : 2026-06-15T23:59:59 Aujourd'hui, l'un des objectifs majeurs du domaine de l'interaction laser-plasma est d'atteindre le régime des champs forts de l'électrodynamique quantique (QED) à l'aide de lasers de très haute puissance. Dans ce régime extrême, le vide quantique et la matière soumis à des champs électromagnétiques ultra-intenses présentent de nouveaux comportements non linéaires, ouvrant la voie à l'observation de processus fondamentaux encore très peu explorés expérimentalement.
Parmi les différentes approches envisagées pour atteindre ce régime, l'une des plus prometteuses repose sur la génération d'harmoniques d'ordre élevé à partir de miroirs plasma relativistes [1]. Lorsqu'une impulsion laser ultra-intense interagit avec une cible solide, elle est ionisée et la surface du plasma peut osciller à des vitesses relativistes et agir comme un miroir non linéaire capable de convertir le rayonnement incident vers des fréquences beaucoup plus élevées. Cette conversion permet de générer un rayonnement cohérent dans le domaine XUV tout en offrant la possibilité de comprimer spatialement et temporellement l'énergie lumineuse [2]. Les intensités ainsi atteignables peuvent dépasser de plusieurs ordres de grandeur l'intensité initiale du laser incident [3]. À de telles intensités, la matière placée au foyer de ce rayonnement secondaire pourrait entrer dans le régime des champs forts de la QED, où de nouveaux processus deviennent accessibles, tels que l'émission de photons gamma de très haute énergie ou encore la création de paires électron-positon via le processus de Breit-Wheeler.
Cependant, nous avons récemment démontré [4] que la génération d'harmoniques d'ordre élevé sur miroir plasma relativiste est fortement limitée, aux intensités laser supérieures à 10²¹ W/cm² sur cible, par le contraste temporel sub-picoseconde de l'impulsion laser. En pratique, un piédestal temporel trop intense modifie prématurément l'état de la cible avant l'arrivée du pic principal, dégradant fortement les conditions optimales d'interaction.
Il devient donc indispensable d'augmenter ce contraste temporel sub-picoseconde afin qu'il ne constitue plus un verrou pour la génération d'harmoniques relativistes et, à terme, pour l'accès au régime des champs forts de la QED.
Dans ce contexte, cette thèse propose d'explorer une approche entièrement nouvelle fondée sur l'utilisation d'un gaz placé en amont d'une cible solide. L'idée est de modifier temporellement la manière dont l'impulsion laser se focalise sur la cible. On augmente volontairement la distance de focalisation du faisceau afin de maintenir le piédestal temporel à faible intensité sur la cible solide alors que l'impulsion principale, beaucoup plus intense, subira des effets non linéaires d'auto-focalisation dans le gaz lui permettant de conserver une intensité élevée au point d'interaction. Cette méthode va ainsi permettre ainsi améliorer de façon sélective le contraste effectif sur cible entre le piédestal et l'impulsion principale, tout en levant plusieurs contraintes expérimentales associées à l'utilisation de longueurs focales très courtes pour atteindre des intenistés lasers très élevées.
L'objectif de la thèse sera, dans un premier temps, de déterminer numériquement les paramètres optimaux - position et intensité de focalisation, densité plasma - de cette méthode à l'aide de simulations particule-in-cell (PIC). Dans un second temps, il s'agira d'en démontrer expérimentalement la faisabilité sur un laser 100 TW. Enfin, la thèse visera à évaluer son potentiel de transposition à des installations laser de classe PW, dans la perspective d'ouvrir une nouvelle voie vers l'exploration expérimentale du régime des champs forts de la QED. Aujourd'hui, l'un des objectifs majeurs du domaine de l'interaction laser-plasma est d'atteindre le régime des champs forts de l'électrodynamique quantique (QED) à l'aide de lasers de très haute puissance. Dans ce régime extrême, le vide quantique et la matière soumis à des champs électromagnétiques ultra-intenses présentent de nouveaux comportements non linéaires, ouvrant la voie à l'observation de processus fondamentaux encore très peu explorés expérimentalement.
Parmi les différentes approches envisagées pour atteindre ce régime, l'une des plus prometteuses repose sur la génération d'harmoniques d'ordre élevé à partir de miroirs plasma relativistes [1]. Lorsqu'une impulsion laser ultra-intense interagit avec une cible solide, elle est ionisée et la surface du plasma peut osciller à des vitesses relativistes et agir comme un miroir non linéaire capable de convertir le rayonnement incident vers des fréquences beaucoup plus élevées. Cette conversion permet de générer un rayonnement cohérent dans le domaine XUV tout en offrant la possibilité de comprimer spatialement et temporellement l'énergie lumineuse [2]. Les intensités ainsi atteignables peuvent dépasser de plusieurs ordres de grandeur l'intensité initiale du laser incident [3]. À de telles intensités, la matière placée au foyer de ce rayonnement secondaire pourrait entrer dans le régime des champs forts de la QED, où de nouveaux processus deviennent accessibles, tels que l'émission de photons gamma de très haute énergie ou encore la création de paires électron-positon via le processus de Breit-Wheeler.
Cependant, nous avons récemment démontré [4] que la génération d'harmoniques d'ordre élevé sur miroir plasma relativiste est fortement limitée, aux intensités laser supérieures à 10²¹ W/cm² sur cible, par le contraste temporel sub-picoseconde de l'impulsion laser. En pratique, un piédestal temporel trop intense modifie prématurément l'état de la cible avant l'arrivée du pic principal, dégradant fortement les conditions optimales d'interaction.
La thèse a pour objectif de développer un nouvel outil d'amélioration du contraste temporel sub-picoseconde afin de lever cette contrainte et de permettre la génération d'impulsions XUV sur miroir plasma relativiste à des intensités laser sur cible supérieures à 10²² W/cm². L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle méthode d'amélioration du contraste temporel d'un laser de haute puissance, afin d'optimiser la génération d'harmoniques d'ordre élevé lors de son interaction avec un miroir plasma relativiste.
Dans un premier temps, il s'agira de démontrer numériquement la faisabilité de cette approche.
Dans un second temps, cette nouvelle méthode sera validée expérimentalement à l'aide d'un laser de 100 TW.
Enfin, l'objectif ultime de la thèse sera d'étendre cette méthode à un laser de plusieurs PW, dans le but d'atteindre des régimes proches de ceux du champ fort de l'électrodynamique quantique. La méthode proposée consiste à utiliser un gaz placé en amont de la cible solide, qui agit comme un dispositif d'amélioration du contraste temporel laser. Le principe repose sur le fait que le piédestal laser est focalisé à une intensité suffisamment faible par rapport à l'impulsion principale. Il subit ainsi beaucoup moins d'effets non linéaires lors de sa propagation dans le gaz ionisé que l'impulsion principale. Lorsque le piédestal se propage dans le plasma, il évolue quasiment comme dans le vide. En revanche, l'impulsion principale, dont l'intensité atteint le régime relativiste, subit un effet d'auto-focalisation dans le gaz, conduisant à une augmentation drastique de son intensité par rapport au cas sans gaz.
Ainsi, l'intensité maximale atteinte sur la cible solide (cas de l'impulsion principale), située en aval du gaz, sera équivalente à celle qui serait obtenue avec une focale beaucoup plus courte. En revanche, comme le piédestal n'aura pratiquement subi aucun effet non linéaire, il restera focalisé à une intensité beaucoup plus faible sur la cible.

Le candidat recherché devra posséder des compétences en analyse de données, notamment avec des langages tels que Python ou MATLAB, ainsi qu'une expérience avec des codes multiparallèles de type particule-in-cell. De plus, il devra être formé en optique ou en physique des plasmas et, idéalement, avoir déjà réalisé des travaux pratiques expérimentaux.