Published December 16, 2020 | Version v1
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High performance computing and numerical simulation for laser wakefield acceleration with realistic laser profiles

Description

The advent of ultra-short high-intensity lasers has paved the way to new and promising, yet challenging, areas of research in laser-plasma interaction physics. The success of building petawatt femtosecond lasers offers a promising path for designing future particle accelerators and light sources. Achieving this goal intrinsically relies on the combination of experiments and numerical modeling. So far, Particle-In-Cell (PIC) codes have been the ultimate tool to accurately describe the laser-plasma interaction especially in the field of Laser Wakefield Acceleration (LWFA). Nevertheless, the numerical modeling of laser-plasma accelerators in 3D can be a very challenging task due to their high computational cost. A useful approach to speed up such simulations consists of employing reduced numerical modes which simplify the problem while retaining a high fidelity. Among these models, Fourier field decomposition in azimuthal modes for the cylindrical geometry is particularly well suited for physical problems with close to cylindrical symmetry, which is the case in LWFA. During my Ph.D., I first implemented this method in the open-source code SMILEI in the Finite Difference Time Domain (FDTD) discretization scheme for the Maxwell solver. However, this kind of solvers may suffer from numerical Cherenkov radiation (NCR). To mitigate this artifact, I also implemented Maxwell's solver in the Pseudo Spectral Analytical Domain (PSATD) scheme which offers better accuracy of the results. This method is then employed to study the impact of realistic laser profiles from the Apollon facility on the quality of the accelerated electron beam. Its ability to correctly model the involved physical processes is investigated by determining the optimal number of modes and benchmarking its results with full 3D Cartesian simulations. It is shown that the imperfections in the laser pulse lead to differences in the results compared to theoretical profiles. They degrade the performance of laser-plasma accelerators especially in terms of the quantity of injected charge. These simulations, insightful for the future experiments of LWFA that will be held soon with the Apollon laser, put forward the importance of including realistic lasers in the simulation to obtain reliable results. (author)

Abstract (French)

Le developpement des lasers ultra-courts a de hautes intensites a permis l'emergence de nouveaux domaines de recherche en relation avec l'interaction laser-plasma. En particulier, les lasers petawatt femtoseconde ont ouvert la voie vers la possibilite de concevoir une nouvelle generation d'accelerateurs de particules. La modelisation numerique a largement contribue a l'essor de ce domaine d'acceleration des electrons par sillage laser. Dans ce contexte, les codes Particle-In-Cell sont les plus repandus dans la communaute. Ils permettent une description fiable de l'interaction laser plasma et surtout de l'acceleration par sillage laser. Cependant, une modelisation precise de la physique en jeu necessite de recourir a des simulations 3D particulierement couteuses. Une maniere pour accelerer efficacement ce type de simulations est l'utilisation de modeles reduits qui, tout en assurant un gain en temps de calcul tres important, garantissent une modelisation fiable du probleme. Parmi ces modeles, la decomposition des champs en modes de Fourier dans la direction azimutale est particulierement adaptee a l'acceleration laser plasma. Dans le cadre de ma these, j'ai implemente ce modele dans le code opensource Smilei, dans un premier temps, avec un schema differences finies (FDTD) pour discretiser les equations de Maxwell. Neanmoins, ce type de solveur peut induire un effet de Cherenkov numerique qui corrompt les resultats de la simulation. Pour mitiger cet artefact, j'ai egalement implemente une version pseudo-spectrale du solveur de Maxwell qui presente de nombreux avantages en termes de precision numerique. Cette methode est ensuite mise en oeuvre pour etudier l'impact de profils de lasers realistes sur la qualite du faisceau d'electrons en exploitant des mesures realisees sur le laser Apollon. Sa capacite a modeliser correctement les processus physiques presents est analysee en determinant le nombre de modes necessaires et en comparant les resultats avec ceux issus des simulations 3D en geometrie Cartesienne. Cette etude montre qu'inclure les defauts du laser mene a des differences dans les resultats et que ces derniers degradent la performance des accelerateurs-laser plasma notamment en termes de quantite de charge injectee. Ces simulations, instructives pour les futures experiences d'acceleration d'electrons par le laser Apollon, mettent en avant la necessite d'inclure les mesures experimentales dans la simulation et particulierement celle du front de phase, pour aboutir a des resultats precis. (auteur)

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Original title (English)
Calcul haute-performance et simulation numerique pour l'acceleration d'electrons par sillage laser avec des profils laser realistes

Publishing Information

Imprint Pagination
191 p.
Report number
FRNC-TH--13398

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Notes
215 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses