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Quantification de la charge éjectée lors de l’interaction d’un laser intense avec une cible solide : application à la génération d’une onde électromagnétique géante

par Webmaster - publié le

Quantification de la charge éjectée lors de l'interaction d'un laser intense avec une cible solide : application à la génération d'une onde électromagnétique géante

En raison de la mise en activité de lasers dont la puissance crête excède le Petawatt tels PETAL en France ou OmegaEP aux Etats-Unis et qui fournissent plusieurs centaines de Joule en l’espace de quelques picosecondes, nous nous sommes intéressés à la compréhension du processus de génération d’impulsions électromagnétiques géantes (IEM) détectées sur ces installations. Car si ces impulsions ont toujours été présentes dès lors que l’on focalise une impulsion laser sur une cible solide, les niveaux atteints sur ces lasers de très forte puissance sont tels que les courants générés par induction dans les circuits électroniques environnants peuvent parvenir à les brûler.
En collaboration avec le CEA/CESTA, dans le cadre du projet LAPHIA "PETAPhys", nous avons mesuré la quantité de charges éjectées lorsqu’une cible solide épaisse est impactée par un laser ultra-intense.


Figure :
Principe de la génération d’une impulsion électromagnétique. 1 Le laser arrache des électrons à la cible. 2 La cible se retrouve polarisée après le passage du laser 3 Pour neutraliser la cible, un courant bref et intense circule par la tige qui relie la cible au porte-cible.

Notre but, en réalisant ces expériences sur l’installation laser Eclipse du laboratoire, était de pouvoir mesurer simultanément la charge éjectée par la cible et l’impulsion électromagnétique émise. Nous nous sommes rendus compte que le principal contributeur à l’émission de l’impulsion géante est la forte polarisation de la cible lorsqu’un grand nombre d’électrons lui sont arrachés par le laser. La contribution du nuage électronique en mouvement (étape 1) est négligeable alors que, une fois polarisée, la cible et le système qui la relie à la chambre se comportent comme une antenne qui rayonne intensément (étape 3).
Nous avons ainsi déterminé comment la nature du matériau et les paramètres laser (durée, énergie) peuvent influer sur l’amplitude de la charge Q (étape 2). La simulation ci-dessous, menée au CEA/CESTA à l’aide du code SOPHIE, montre la manière dont le système complet (cible + porte-cible + enceinte expérimentale) réagit à la forte polarisation de la cible en faisant circuler un courant intense le long de la tige qui relie la cible au bloc porte-cible. Le système se comporte alors comme un circuit RLC qui oscille à une fréquence propre avec un taux d’amortissement spécifique et qui rayonne à la manière d’une antenne.

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Résultat de la simulation par le code SOPHIE de l’évolution au cours du temps de la carte du champ électrique (en V/m) à l’intérieur de l’enceinte expérimentale SOPHIA de la salle d’expérience ECLIPSE_3. L’impulsion laser de 50 fs, 100 mJ focalisée sur 10 µm a arraché une charge de 10 nC de la cible. La polarisation de celle-ci génère un champ de quelques MV/m à la surface de la cible. L’ensemble porte-cible + enceinte expérimentale fournit alors les charges nécessaires à la neutralisation de la cible. On peut ensuite voir circuler ces charges le long de la tige qui relie la cible au porte-cible et une impulsion électromagnétique émise à chaque aller-retour le long de cette tige.

l’Article : J.-L. Dubois, F. Lubrano-Lavaderci, D. Raffestin, J. Ribolzi, J. Gazave, A.C.L. Fontaine, E. d’ Humières, S. Hulin, P. Nicolaï, A. Poyé, and V.T. Tikhonchuk, "Target charging in short-pulse-laser–plasma experiments", Phys. Rev. E 89, 013102 (2014).