Nos tutelles

CNRS CEA Université de Bordeaux

Nos partenaires

Rechercher





Accueil > Thèmes de recherche > Sources X ultra-brèves par plasmas laser

Source X ultra-brèves

publié le , mis à jour le

Le rayonnement X émis par une cible irradiée par des impulsions lasers est le résultat du chauffage de la cible à des températures de plusieurs millions de degrés. Avec des impulsions laser femtoseconde, le chauffage efficace de la cible, ou encore l’absorption par la cible d’une partie significative de l’énergie laser, requiert une cible de forte densité. Une cible solide conduit à une émission X des ordres de grandeur plus intense qu’une cible gazeuse. En revanche, sa mise en œuvre à haute cadence engendre une quantité non négligeable de débris qu’il faut maîtriser pour éviter de polluer les optiques lasers et les détecteurs X. Dans cet esprit, plusieurs sources X ont été étudiées :

- source X multi-keV issue de l’interaction laser – agrégats
- source X multi-keV issue de l’interaction laser – cible solide

Interaction laser – agrégats

Un jet d’agrégats offre une forte densité locale pour la production d’X, mais très peu de matière pour les débris. Il peut être obtenu comme le simple résultat de la condensation partielle d’un gaz rare s’écoulant dans une buse super-sonique. Il est alors formé d’un mélange de gaz et d’agrégats dont la taille peut être contrôlée entre quelques dizaines et quelques centaines d’Angtröms. Plusieurs avantages sont attendus de ce nouveau régime d’interaction laser - matière (taille de la cible << longueur d’onde) : obtention de nano-plasmas bien isolés pour l’étude fondamentale de l’interaction laser-plasma, haute température accessible sans perte par conduction thermique, conversion importante de l’énergie laser dans le rayonnement X, cible aisément renouvelable pour une source X multi-keV sans débris.

Depuis 2000, plusieurs expériences ont été menées afin de comprendre l’interaction entre une impulsion laser intense et un jet d’agrégats. Les dernières expériences ont abouti à la caractérisation spectrale et temporelle du rayonnement X de couche K d’un jet d’agrégat d’Argon. Elles ont conduit à l’optimisation d’une source X multi-keV ultra-brève (sub-ps) sans débris et de haute cadence (kHz) pour applications à la science X ultra-rapide. D’un point de vue plus fondamental, ces résultats expérimentaux ont permis de suivre la dynamique ultra-rapide de l’ionisation des atomes d’Argon constituant l’agrégat. Des degrés d’ionisation extrêmement élevés (Ar16+) sont atteints en quelques centaines de femtoseconde, à partir d’éclairements laser crête relativement modestes (300 fs, 3.1016 W/cm2). Cette étude expérimentale a fait l’objet de la thèse de Christophe Bonté.

Un modèle hydrodynamique simple basé sur les mesures d’absorption laser (énergie déposée et durée du dépôt) a été d’abord développé. Le chauffage très efficace et la géométrie sphérique du nano-plasma que constitue l’agrégat ionisé conduisent à une expansion hydrodynamique extrêmement rapide. Le refroidissement violent qui y est associé permet d’interpréter l’extrême brièveté du rayonnement X observé (qques 100 fs contre qques ps estimés avec une cible solide). Les résultats expérimentaux sont assez bien reproduits par ces calculs, en termes d’intensité et de durée d’émission X comme le montre la Figure 1 (gauche et droite). Ils démontrent tous deux des durées extrêmement brèves de quelques centaines de fs seulement.

Figure 1. Au dessus : Durée de l’émission X mesurée en fonction de la durée laser. Des agrégats de rayons 180 (cercles), 275 (carrés) et 350 Å (triangles) sont irradiés par des impulsions laser de 2 mJ, polarisées linéairement (noir) et circulairement (blanc). La ligne noire est purement indicative et correspond à une durée des X qui serait égale à la durée laser. La ligne en pointillés représente l’intensité X intégrée en temps, émise par des agrégats de 275 Å (polarisation linéaire). En dessous : mêmes grandeurs physiques (durée X et intensité émise) obtenues par le calcul pour un agrégat de 275 Å de rayon.

©CELIA

Nous avons développé un code plus complet qui permet de simuler l’évolution temporelle des diverses quantités caractérisant le nano-plasma formé au cours de ce type d’interaction à partir du modèle proposé par Ditmire et coll.. Grâce à des comparaisons entre les résultats expérimentaux et les simulations nous avons pu établir que, en l’état, le modèle sous estime notablement les états de charge ioniques produits. Pour y remédier, deux mécanismes supplémentaires ont été introduits dans le code. D’une part, des effets d’écran induits par la densité d’électrons libres au sein de l’agrégat ont été quantifiés et pris en compte. D’autre part, la dynamique d’ionisation collisionnelle a été améliorée via l’inclusion de chemins d’ionisations indirects impliquant des états excités intermédiaires. Les calculs reproduisent alors l’ionisation très rapide observée jusqu’à Ar16+. Ces études ont fait l’objet de la thèse de Samuel Micheau.

Interaction laser – solide

L’irradiation de cible solide, si elle occasionne la formation de débris, permet en revanche d’accéder à une très large palette de sources X (la plupart des matériaux existant naturellement sous la forme solide). Suivant le matériau de la cible, et fonction de la gamme spectrale observée, il est possible de produire une émission X multi-keV quasi-monochromatique (dans une raie de 1 eV) ou bien de large bande spectrale (qques 100 eV). Nous avons optimisé une source X brève (qques ps) de haute cadence (kHz) et présentant une émission intense et de large bande spectrale dans la gamme de 1.5 à 1.75 keV.

Pour ceci, nous avons réalisé une étude systématique du rayonnement X émis par des cibles solides de Z élevé (Sm, Gd, Dy, Er , Yb) en fonction des différents paramètres de l’interaction, dont la durée des impulsions laser (laser kHz Aurore du CELIA, 5 mJ, 30 fs – 5 ps). Nous avons plus spécifiquement étudié l’émission de couche M de ces éléments dans la gamme de 1.5 à 1.75 keV. Cette émission de couche M présente dans certains cas des structures spectrales quasi-continues sur un large domaine spectral (quelques centaines d’eV).

D’autres expériences plus fondamentales sont aussi menées par le groupe sur des installations laser plus énergétiques en collaboration avec une équipe du LULI. Une expérience a été effectuée en Novembre 2006 sur LULI 2000. Elle visait à l’étude spectrale et temporelle de l’émission XUV et X (2 à 3.2 keV) de plasmas homogènes obtenus à partir de feuilles d’Or irradiées par une impulsion laser nanoseconde. Une autre expérience a été menée en Mars-Avril 2007 sur le laser 100 TW du LULI. Il s’agissait de mesurer spectralement et temporellement l’émission X de feuilles d’Aluminium (couche K), de Sélénium (couche L) et de Samarium (couche M) irradiées par des impulsions courtes de durée variable entre 300 fs, 3 ps et 30 ps.

©CELIA

Dispositif motorisé de jet d’agrégats de gaz rare

©CELIA

Vue intérieure de l’Enceinte de Génération d’Impulsion X (REGIX) en configuration « cible solide »