Accélération laser-plasma avec des faisceaux laser non-diffractants et supraluminiques – TGV

Les accélérateurs laser-plasma (ALP) permettent de produire des champs électriques supérieurs à 100 GV/m, soit trois fois plus grands que ceux obtenus avec les accélérateurs radiofréquences classiques. Ils pourraient ainsi permettre une réduction drastique de la taille des accélérateurs pour des applications scientifiques, médicales et industrielles. De part leurs champs extrêmes les ALP sont également des candidats prometteurs pour les futurs collisionneurs à haute énergie.
L’objectif du projet est d’explorer de nouveaux concepts de couplage laser-plasma afin d’augmenter l’énergie des faisceaux d’électrons stables et de haute qualité, bien au-delà de l’état de l’art. Ces nouveaux concepts reposent sur une optique réflective innovante, l’axiparabole, qui combine les avantages des miroirs paraboliques et des lentilles axiconiques et permet de produire des lignes focales longues et de haute intensité avec une vitesse laser contrôlable.
À faible énergie laser, les axiparaboles seront utilisées pour générer un guide d’onde plasma stable, ayant une forte tenue au flux. Le faisceau de haute intensité qui conduit l’ALP sera ensuite couplé au guide d'onde ainsi formé afin de supprimer l’effet de la diffraction et d'étendre la distance sur laquelle les électrons sont accélérés.
Les axiparaboles seront ensuite utilisées avec un seul laser de forte puissance pour accélérer les électrons. Dans ce cas, nous tirerons parti des axiparaboles pour manipuler la vitesse du pic d’énergie laser. Cette capacité unique à produire de façon contrôlable des vitesses supraluminiques ouvre un nouveau domaine d'étude. Dans le cas le plus simple, nous prévoyons une augmentation de l’énergie des électrons d’un facteur 8 par rapport à une configuration classique, utilisant une optique de focalisation parabolique. Le schéma optimisé pourrait conduire à la production de faisceaux de 300 GeV avec un laser de 10 PW.
Dans les deux scénarios, les performances seront optimisées en modelant la surface de l’axiparabole, en ajoutant une phase spatiale ou en introduisant un couplage spatio-temporel. Des démonstrations de principe et des expériences exploratoires seront effectuées sur les installations de la Salle Jaune au LOA, puis mises en œuvre sur des installations laser de classe PW.