Effets de la phase porteuse-enveloppe dans l’accélération par sillage laser
L’accélération par sillage laser nous permet de construire des accélérateurs de particules très compacts qui ont des applications en physique des particules, en physique du solide et en médecine. Pour cela, nous utilisons une impulsion laser extrêmement courte et intense que nous envoyons dans un jet de gaz. Le front montant de l’impulsion est déjà suffisamment intense pour ioniser immédiatement les atomes du gaz, créant ainsi un plasma. La partie principale de l’impulsion est ensuite si intense qu’elle expulse tous les électrons du plasma, créant un sillage dans la densité électronique derrière l’impulsion laser, un peu comme le sillage de l’eau derrière un bateau. Dans certaines circonstances, les électrons commencent à “surfer” sur ce sillage et sont accélérés jusqu’à atteindre des énergies relativistes, c’est-à-dire à une vitesse proche de celle de la lumière.
Normalement, ce processus est décrit à l’aide de l’approximation dite “pondéromotrice”, dans laquelle l’interaction entre le laser et le plasma est moyennée sur le cycle optique de l’onde lumineuse laser et ne dépend donc que du profil d’intensité du laser. Cependant, si l’on utilise une impulsion laser d’une durée presque aussi courte qu’un seul cycle optique, cette approximation n’est plus valable. En conséquence, la forme du sillage du plasma devient asymétrique et dépend de la forme précise du champ électrique de l’impulsion laser, déterminée par un paramètre appelé la phase porteuse-enveloppe (CEP).
À l’aide de simulations numériques avancées, nous avons montré que cette asymétrie peut entraîner l’injection du faisceau d’électrons hors de l’axe et son oscillation de haut en bas dans le plan du champ électrique du laser. Cette étude a fait la couverture de Physics of Plasmas l’année dernière.
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Nous avons ensuite recherché cet effet dans notre laboratoire. Nous avons utilisé une impulsion laser d’une durée extrêmement courte, seulement 3,5 femtosecondes, dont nous pouvions contrôler la phase enveloppe-porteuse. Nous avons alors observé qu’en modifiant la CEP, nous pouvions modifier l’angle avec lequel le faisceau d’électrons quittait notre accélérateur. Cette observation prouve l’effondrement de la validité de l’approximation pondéromotrice, et ce pour la première fois dans notre domaine !
Une analyse détaillée de cet effet dans des simulations suggère qu’il pourrait être utilisé pour contrôler très précisément l’injection de paquets d’électrons ultra-courts dans les accélérateurs laser-plasma. Ce résultat vient d’être publié dans Physical Review X.
