Accélération laser plasma avec des laser kiloHertz – HighRep

L'équipe française :
L'équipe du LOA utilisera l'installation laser de la Salle Noire. Actuellement, le laser délivre des impulsions à haut contraste à 800 nm, en 25 fs avec une énergie d'environ 10 mJ à un kHz. Les impulsions sont ensuite post-comprimée à des durées de 3.5 fs. Les impulsions peuvent être focalisées proche de la limite de diffraction et des intensités relativistes de 5x1018 W/cm2 sont couramment produites.
Nous énumérons ci-dessous les principaux équipements expérimentaux qui seront utilisés au cours du projet :
- 1 système laser TW kHz avec des impulsions de 3,5 fs
- Chambre à vide dédiée à l'accélération des électrons au kHz
- Système de pompage permettant le fonctionnement au kHz avec des gaz à Z élevé (le fonctionnement avec H2 ou He n'est actuellement pas possible en kHz en raison de la charge de pompage).
- Ensemble de diagnostics électroniques : profil angulaire du faisceau, charge, spectre d'énergie des électrons...
Dans le cadre du projet, deux développements instrumentaux supplémentaires seront réalisés :
- Le développement d'un schéma de pompage différentiel autour du jet de gaz afin de pouvoir utiliser des gaz plus légers comme l'hélium ou l'hydrogène. Cela augmentera considérablement l'espace des paramètres que l'expérience sera capable de couvrir et devrait permettre d'augmenter l'énergie des électrons d'un facteur 3 à 5.
- Développement d'un diagnostic d'émittance transverse afin de fournir des estimations plus quantitatives de la qualité du faisceau d'électrons. Pour l'instant, la qualité du faisceau n'est évaluée que sur la base de sa divergence. Le diagnostic sera basé sur la technique du quadrupole scan et nécessitera l'utilisation d'aimants de focalisation. La mise en œuvre de ce diagnostic nécessitera des investissements en éléments opto-mécaniques et en motorisation à vide.

L'équipe allemande :
L'équipe HHUD a un accès complet à l'installation laser JuSPARC_VEGA Ti:Sa, située au Forschungszentrum Jülich. JuSPARC_VEGA a été mis en service début 2019, avec notamment des mesures des paramètres de fonctionnement qui sont de 37 mJ en 29 fs à 800 nm de longueur d'onde. Ce système laser est complémentaire de celui disponible au LOA : il délivre 10 fois plus d'énergie mais dans des impulsions laser 10 fois plus longues. Nos expériences sur la production d'électrons seront réalisées dans une nouvelle chambre à vide et une nouvelle ligne de faisceau d'électrons qui seront développées dans le cadre du projet.

Les résultats marquants à ce stade du projet sont:
- Démonstration du fonctionnement stable pendant 5 heures d’un accélérateur laser-plasma (publication Physics of Plasmas 2021)
- Première démonstration expérimentale des effets de la forme du champ électrique (effets de la CEP) dans un accélérateur laser-plasma (publié dans Phys. Rev. X en 2022, étude théorique publiée en 2021 dans Physics of Plasmas)
Comme indiqué ci-après, ces résultats ont fait l’objet de plusieurs présentations invitées dans des conférences internationales.

Les résultats attendus pour la suite du projet sont:
- Augmentation de l'énergie des électrons au-delà de 10 MeV
- Mesure et caractérisation complète du rayonnement X produit dans l'accélérateur laser-plasma au kHz
- Atteindre une stabilisation telle que des expériences d'applications pourront être mise en place dans les domaines suivant:
- Diffraction d'électrons résolue en temps avec des résolutions inférieures à 100 fs.
- Irradiation de cellules cancéreuses pour la radiobiologie. Etude des effets de fractionnement de la dose.

1. “Waveform control of relativistic electron dynamics in laser-plasma acceleration”; J. Huijts, L. Rovige, I.A. Andriyash, A. Vernier, M. Ouillé, J. Kaur, Z. Cheng, R. Lopez-Martens and J. Faure, Phys. Rev. X 12, 01136 (2022)
2. “Symmetric and asymmetric shocked gas jets for laser-plasma experiments”; L. Rovige, J. Huijts, A. Vernier, I.A. Andriyash, F. Sylla, V. Tomkus, V. Girdauskas, G. Raciukaitis, J. Dudutis, V. Stankevic, P. Gecys and J. Faure, Rev. Sci. Inst. 92, 083302 (2021)
3. “Identifying observable carrier-envelope phase effects in laser wakefield acceleration with near-single-cycle pulses”; J. Huijts, I. A. Andriyash, L. Rovige, A. Vernier and J. Faure, Phys. Plasmas 28, 043101 (2021)
4. “Optimization and stabilization of a kilohertz laser-plasma accelerator”; L. Rovige, J. Huijts, I.A. Andriyash, A. Vernier, M. Ouillé, Z. Cheng, T. Asai, Y. Fukuda, V. Tomkus, V. Girdauskas, G. Raciukaitis, J. Dudutis, V. Stankevic, P. Gecys, R. Lopez-Martens and J. Faure, Phys. Plasmas 28, 033105 (2021)

L’accélération laser-plasma est une technique émergente et prometteuse pour produire des faisceaux d’électrons de manière compacte. Dans la majorité des cas, des systèmes laser de type 100 TeraWatt ou même PetaWatt, avec des faibles cadences (le Hertz ou moins), sont utilisés pour accélérer des électrons jusqu’à des énergies du GeV. Néanmoins, de nombreuses applications bénéficieraient également de plus hautes cadences, au kHz, voire davantage. Très récemment, plusieurs expériences de principes ont démontré l’accélération laser-plasma d’électrons de quelques MeV à des cadences kHz. Ces premiers résultats sont encourageants mais les faisceaux ainsi produits ne sont pas encore utilisables pour les applications en raison de leur manque de fiabilité et de stabilité. Le projet HighRep a pour but d’amener l’accélération laser-plasma à haute cadence à un plus haut niveau de fiabilité et de maturité. Pour ce faire, nous développerons des cibles plasma innovantes dans le but d’obtenir un meilleur contrôle de l’injection des électrons dans les ondes plasma, ce qui, par voie de conséquence, devrait améliorer la stabilité, la fiabilité et la robustesse de la source d’électrons. Ces développements suivront deux voies en parallèle : (i) le développement de buses micrométriques pour obtenir des profils de densité plasma contrôlés au niveau micrométrique, en particulier pour déclencher l’injection des électrons dans les gradients de densité, (ii) le développement de cibles de type agrégats permettant le piégeage et le positionnement micrométrique d’un agrégat unique, cela dans le but de contrôler l’injection des électrons et d’augmenter leur énergie finale au-delà de 10 MeV. Les accélérateurs laser-plasma ont aussi le potentiel de produire des rayons X de durée femtoseconde, via le mécanisme dit de rayonnement betatron, avec un grand potentiel pour les applications en science ultrarapide. Dans HighRep, nous mettrons ainsi en place les premières mesures de rayonnement X-UV émis dans un accélérateur laser-plasma à haute cadence. Ce projet est basé sur la complémentarité des groupes Français et Allemand, aussi bien en ce qui concerne leur expertise qu’en regard de l’équipement mis à disposition par les deux équipes. La collaboration entre les deux groupes permettra en particulier de réaliser des expériences communes sur deux installations laser de 1 TW, au kHz, offrant des paramètres très différents. Cela nous permettra d’étudier l’accélération laser-plasma au kHz dans deux régimes physiques différents et d’estimer quelle pourrait être la meilleure technologie laser.