Experimental Study of Proton Acceleration with Ultra-High Intensity, High Contrast Laser Beam
Résumé
The production of energetic proton/ion beams with laser pulses at relativistic intensities (I>10^{18}W/cm^2) has received, in the past few years, increasing interest from the scientific community in plasma, optics and accelerator physics. A fraction of electrons is heated to high temperature during the ultrafast interaction between a femtosecond laser pulse and an overdense plasma. Ions and protons are extracted and accelerated by the charge separation set up during the expansion of the plasma. The results presented in this manuscript report on the realization of ion acceleration experiments using a high contrast (XPW) multi-terawatt laser system. Two preparatory experiments are set up, aiming to study the pedestal of a laser pulse interacting with the target. The expansion of a plasma created by a laser at moderate intensity is measured by interferometry; the evolution of the density gradient length is deduced from the electron density maps at different moments. The variation of the absolute reflectivity of a thin aluminium foil is correlated to the electron temperature and is used to monitor the arrival time of the laser produced shock. The crossing between the two experiments is finally used to define the optimum condition for proton acceleration. Proton acceleration experiments with high contrast laser are reported, including the construction and the validation of a real-time, single shot ion spectrometer (Micro-channel Plate and Thomson Parabola), and other details of the realised setup. The obtained results show that the increased contrast enables the use of thinner targets and the production of more stable and controllable interaction conditions. Proton beams with kinetic energy higher than 4 MeV are produced, with a shot-to-shot stability better than 4% rms. Proton acceleration experiment with two laser beams confirms that the laser energy absorption is enhanced when the target is pre-heated by a laser pulse with proper parameters.
La production de faisceaux énergétiques d'ions/protons avec des impulsions laser à intensités relativistes (I>10^{18}W/cm^2) a reçu, au cours des dernières années, un intérêt croissant parmi les scientifiques travaillant dans les domaines de l'optique, de la physique des plasmas et des accélérateurs. Une fraction des électrons est chauffée à haute température lors de l'interaction entre une impulsion laser femtoseconde et un plasma surdense. Les ions et les protons sont extraits et accélérés par la séparation de charge qui est produite pendant l'expansion du plasma. Les résultats présentés dans ce manuscrit décrivent la réalisation d'expériences d'accélération d'ions avec un système laser à haute puissance et à haut contraste (XPW). Deux expériences préparatoires sont réalisées, afin d'étudier l'interaction entre le piédestal d'une impulsion laser et une cible. L'expansion d'un plasma créé par laser à intensité moyenne est mesurée par interférométrie; l'évolution de la longueur de son gradient de densité est déduite par les cartes de densité électronique, mesurées à différents instants. La variation de la réflectivité absolue d'une cible mince d'aluminium est mise en corrélation avec la température électronique afin de contrôler le débouché du choc produit par le laser. La corrélation entre les deux expériences est finalement utilisée pour définir le conditions optimales pour l'accélération des protons. Des expériences d'accélération de protons avec un laser à haut contraste, la construction et la validation d'un spectromètre (Galette a Micro-canaux et Parabole Thomson), ainsi que des autres détails sur le montage sont présentés. Les résultats ainsi obtenus montrent que l'amélioration du contraste permet d'utiliser des cibles plus minces et de produire des conditions d'interaction plus stables et contrôlables. Des faisceaux des protons ayant énergie cinétique supérieure à 4MeV sont produits, avec une stabilité tir à tir meilleure de 4% rms. L'accélération des protons avec deux impulsions laser confirme que l'absorption d'énergie laser est augmentée dans le cas des cibles pre-chauffées par une impulsion laser avec les bons paramètres.