Génération et Optimisation de Sources de Protons et ions Energétiques par Lasers ultra courts, ultra intenses et à très haut contraste – Gospel

L'étude des phénomènes d'accélération de particules chargées par laser à Ultra-Haute-Intensité (UHI), fait l'objet d'un intérêt marqué depuis quelques années, en raison du nombre important d'applications potentielles associées, alors que la physique à l'origine de ce phénomène n'est encore cernée que de façon parcellaire. La génération d'ions rapides fait appel à un milieu initialement sur-critique où le 'TNSA' (Target Normal Sheath Acceleration) est le mécanisme d'accélération communément admis par la communauté scientifique : une population d'électrons relativistes est accélérée à travers la cibles solide par le laser, générant lors de leur arrivée en face arrière un champ électrostatique à l'origine de l'accélération jusqu'à plusieurs MeV des atomes ionisés par le passage des ces électrons. Très étudié avec des impulsions 'longues' (quelques centaine de femtoseconde à quelques picosecondes), ces phénomènes sont maintenant éclairés d'un jour nouveau grâce aux premières expériences en impulsions ultra-brèves (<30 fs) et à Ultra-Haut-Contraste (UHC) où des propriétés et mécanismes physiques inédits sont mis en évidence. Notre approche consiste donc à utiliser les technologies lasers les plus abouties actuellement pour étudier la génération d'ions rapides à partir de plasmas denses. Trois régimes/thématiques complémentaires seront explorés : • Génération de protons avec des impulsions UHI@UHC ultra-courtes (<30 fs) Ce régime d'interaction n'a jamais été étudié précédemment. Nous espérons mettre en évidence des mécanismes nouveaux et des propriétés originales des faisceaux dans cette gamme d'éclairement allant de 1018 W/cm2 à quelques 1019 W/cm2 qui fait la transition entre le régime modérément relativiste à ultra-relativiste. • Génération de protons avec un pre-plasma variable et contrôlé Le but de ces études sera de favoriser le transfert d'énergie entre laser et électrons afin d'améliorer les propriétés des faisceaux de protons en terme d'énergie et de qualité spatiale. • Etude de nouveaux mécanismes d'accélération Les codes de simulation prédisent que dans le régime UHI@UHC des faisceaux non maxwelliens pourraient être produits en polarisation circulaire. Nous espérons atteindre ce régime ultime et obtenir les premiers résultats sur ces spectres « quasi-monocinétiques ». Ce programme ambitieux se déroulera sur les lasers UHI100TW de Saclay ainsi que dans la 'Salle Jaune' du LOA. Il sera soutenu fortement par les compétences du CEA-DAM en simulations numériques. Son objectif est d'accroître nos connaissances en physique de l'interaction laser-matière dans le régime ultra-relativiste. Nous nous concentrerons particulièrement sur l'influence des différents paramètres lasers ainsi que sur le rôle d'un pre-plasma. Nous espérons ainsi pouvoir « jouer » avec les faisceaux de protons en terme d'énergie et de charge maximale. Les retombées de ce programme scientifique seront précieuses pour les applications potentielles et nous espérons initier l'ouverture de tout un réseau -c'est-à-dire non strictement limité aux partenaires de ce projet- de compétences qui pourrait résulter en la genèse d'un consortium consacré aux applications sociétales de cette physique nouvelle.