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AbstractAbstract
[en] Surface waves in solids were first observed by Wood in 1902 as an anomaly in the diffraction of a continuous light source from a metal grating: the diffracted spectrum presented dark lines corresponding to certain wavelengths, which were later explained (Fano, 1941) in terms of the excitation of a surface wave sustained by the grating. Similarly to the metal grating case, a surface plasma wave (SPW) can be resonantly excited by a laser pulse at the surface of a laser-produced over-dense plasma, if the correct matching conditions are provided. SPWs propagate along the plasma-vacuum interface and are characterized by a localized, high frequency, resonant electric field. In the present work we describe numerically the dynamics of the plasma and the field distribution associated to SPW excitation, using two-dimensional particle-in-cell (PIC) simulations, where the plasma surface is initially pre-formed so that the SPW excitation conditions are fulfilled. We examine the surface wave excitation for a large range of laser intensities (Iλ02 =1015 - 1020 Wcm-2μm2) in order to study the transition from the non-relativistic to the relativistic regime. The simulations in which the wave is resonantly excited are compared to cases in which the resonant conditions are not provided and the coupling of the laser with the target is analyzed. We have considered the following aspects of the laser-plasma interaction, for different laser and target parameters: i) the laser absorption and the electric field at the surface ii) the generation of a quasi-static magnetic field iii) the electron heating and iiii) the ion acceleration. The possibility to excite a surface plasma wave on a structured target for a large range of laser energies has been demonstrated. In the cases where the surface wave is excited the electric field component normal to the target is amplified at the surface by a factor ranging from 3.2 to 7.2 with respect to the laser field. The absorption is also increased for example it raises from 27% when the SPW is not excited up to 73% for Iλ02 =1019 Wcm-2μm2. We have defined the optimal conditions for efficient coupling which increase laser absorption, that correspond to the relativistic laser intensities (Iλ02 ≥1018 Wcm-2μm2). In this regime the main absorption mechanism is vacuum heating, associated to particles oscillating in the field perpendicular to the target, which is enhanced by the stronger, localized field of the SPW. The generation of a quasi-static magnetic field has been studied analytically and compared to the result of PIC simulations. The different field structure in presence of a SPW and for a flat target suggests that the enhanced field strength has caused partial confinement of particles at the target surface when SPW is present. The effects of the surface wave are more pronounced in thin laminar targets where electrons recirculate into the target interacting several times with the wave. Efficient electron heating increases the energy of the ions which are accelerated at both the irradiated and not irradiated target surface by the hot electrons space charge field. For the thinnest target (3.5 μm) the ion cut-off energy is about 14 MeV, approximately twice the value obtained when the SPW is not excited. (author)
[fr]
Les ondes de surface ont ete observees pour la premiere fois par Wood en 1902 qui note des anomalies dans le spectre de diffraction d'une lumiere continue sur un reseau metallique. Pour certaines longueurs d'onde, le spectre diffracte presente des lignes noires que Fano interprete quelques annees plus tard (1941) comme dues a l'excitation d'ondes de surface. De façon analogue, on peut exciter par laser de façon resonante une onde plasma de surface a la surface d'un plasma sur-dense cree par interaction laser-solide, si les conditions d'excitation de l'onde sont satisfaites. L'onde de surface se propage le long de l'interface plasma-vide et se caracterise par un champ electrique resonant haute-frequence localise. Dans ce travail, la dynamique du plasma et les champs associes a l'excitation par laser de l'onde de surface sont decrits numeriquement avec des simulations bidimensionnelles Particule-In-Cell dans lesquelles la surface du plasma est initialement pre-structuree de sorte a satisfaire les conditions d'excitation de l'onde de surface. L'intensite laser a ete variee entre Iλ02 =1015 - 1020 Wcm-2μm2 afin d'etudier la transition entre un regime d'excitation non-relativiste et relativiste. Les simulations dans lesquelles l'onde de surface est excitee sont comparees a celles ou elle ne l'est pas et le couplage du laser avec la cible est analyse. Pour differents parametres du laser et de la cible, nous avons considere les quatre aspects suivants de l'interaction laser plasma: i) l'absorption laser et le champ electrique a la surface du plasma, ii) le champ magnetique quasi-statique genere, iii) le chauffage electronique et iiii) l'acceleration des ions. Nous avons demontre la possibilite d'exciter une onde plasma de surface pour une large gamme d'intensite laser. Lorsque l'onde de surface est excitee, la composante perpendiculaire a la surface du plasma du champ electrique est amplifiee par rapport au champ laser sur la surface plasma-vide d'un facteur allant de 3.2 a 7.2 selon les cas. L'absorption augmente egalement fortement de 27% lorsque l'onde de surface n'est pas excitee a 73% lorsqu'elle l'est pour Iλ02 =1019 Wcm-2μm2 par exemple. Cette etude nous a permis de definir les conditions optimales pour lesquelles le couplage entre le laser et l'onde de surface est le plus efficace. Elles correspondent au regime d'intensite laser relativiste dans lequel le mecanisme d'absorption principale est le 'vacuum heating': les particules gagnent de l'energie en oscillant dans le champ electrique perpendiculaire a la cible. En presence de l'onde de surface, cette oscillation est fortement augmentee par la presence du champ localise de l'onde de surface plus intense que celui du laser. La possibilite de creer des champs magnetiques quasi-statiques auto-generes en presence d'une onde de surface a de plus ete etudiee analytiquement et les resultats ont ete compares a ceux des simulations. Les structures de champ obtenues suggerent que l'intensite du champ magnetique genere induit un confinement partiel des particules sur la surface de la cible lorsque l'onde de surface est excitee. Enfin, nous avons observe un effet induit par l'excitation de l'onde de surface encore plus fort dans des cibles minces dans lesquelles les electrons peuvent circuler d'un bord a l'autre de la cible et interagir plusieurs fois avec le champ de l'onde. Le champ de charge d'espace ainsi cree au cours de l'interaction induit une augmentation importante de l'energie des ions emis sur les deux faces de la cible mince. L'ensemble de ce travail nous a permis de montrer que l'excitation d'une onde de surface par interaction laser-plasma structure est un mecanisme physique prometteur pour augmenter l'energie des particules emises. C'est un point particulierement interessant pour les applications liees a la production de protons energetiques telles que la therapie hadronique ou a celle d'electrons de hautes energies indispensableOriginal Title
Interaction laser-reseau plasma a haute intensite: excitation d'une onde de surface et acceleration de particules
Primary Subject
Source
19 Sep 2012; 198 p; 91 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/INIS/contacts/; Physique
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
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