Thématique :
L’ElectroDynamique Quantique, ou QED, est la théorie physique qui unifie l’électromagnétisme et la physique quantique afin de décrire comment la lumière et la matière interagissent. Elle est considérée comment l’une des théories les mieux démontrées dans son régime linéaire grâce à la mesure de la constante de structure fine avec une précision inégalée. Cependant, c’est lorsque l’intensité lumineuse devient extrême, dans le régime dit des ‘’champs forts’’, que la QED révèle ses prédictions les plus étonnantes telle que la génération de matière à partir du vide sous la forme de paires électron/positron. Ces régimes extrêmes sont étudiés de façon théorique depuis plus d’un siècle mais n’ont jamais pu être atteints de façon expérimentale.
Le développement récent d’une nouvelle génération de lasers qui délivrent des impulsions femtosecondes d’une puissance de plusieurs PetaWatt permet de développer des stratégies expérimentales pour atteindre le régime des champs forts de la QED. La stratégie la plus communément envisagée pour l’atteindre est de réaliser la collision d’un faisceau d’électrons relativistes avec un champ laser ultra-intense [1].
La stratégie qui sera étudiée lors de ce doctorat est celle dite du ‘’Doppler boost’’ [2]. L’impulsion laser ultra intense focalisée à quelques 1022W/cm2 sur un solide est convertie vers l’extrême ultraviolet (XUV) par effet
Doppler relativiste lors de la réflexion sur un miroir plasma. Le faisceau XUV, de beaucoup plus courte longueur d’onde peut être focalisé sur une tache focale beaucoup plus petite que le laser ce qui a pour effet de décupler de 3 ordres de grandeur l’intensité lumineuse. L’interaction de n’importe quel type de matière (gaz, solide, électrons relativistes) avec cette impulsion XUV est alors dans le régime hautement non linéaire de la QED des champs forts [3].

Objectif :
L’objectif de la thèse est de générer des impulsions ‘’Doppler boostées’’ pour obtenir les plus hautes intensités lumineuses jamais atteintes sur Terre, de l’ordre de 1025W/cm2 et de les utiliser pour réaliser les toutes premières expériences de QED dans le régime des champs forts.
Deux types d’expériences seront réalisées : – La collision du faisceau Doppler boosté avec des électrons relativistes. Cette expérience sera réalisée au Laboratoire d’Optique Appliquée. – L’interaction du faisceau Doppler boosté avec un solide. Ces expériences seront réalisés sur les plus grandes infrastructures lasers au monde : APOLLON, BELLA, ELI. Une première expérience sur l’installation laser BELLA située à Berkeley, Californie, est en cours de préparation pour décembre 2024.L’objectif du stage est la compréhension théorique et expérimentale de la génération d’impulsions ‘’Doppler boostées’’ et de la QED en champ fort, ainsi que la préparation de ces différentes expériences : à savoir le design des plusieurs diagnostics expérimentaux tels qu’un spectromètre XUV, un spectromètre de faisceaux Gamma, et un spectromètre d’électrons/positrons, ainsi que la préparation de la chambre expérimentale située au laboratoire d’optique appliquée.
Une expérience sur l’installation laser Petawatt APOLLON fera également partie du stage en mai 2024 pour gagner de l’expérience sur ce type de grande infrastructure laser.

Profil du candidat recherché :
La thèse proposée a pour objectif de réaliser des expériences à très haut impact dans le domaine de la physique avec la première observation expérimentale de phénomène de QED en champ fort. Pour réussir de tels objectifs, le candidat recherché doit être passionné pour la recherche et avoir une grande capacité et autonomie de travail. Le pragmatisme est également une qualité primordiale pour une thèse expérimentale. Il faut évidemment être prêt à se déplacer plusieurs semaines à l’étranger. Enfin, une dose d’humour pour les longues soirées dans les salles d’expériences est toujours bien accueillie par tous les collègues.

Diplôme : Master 2 recherche en physique
Connaître : Python, Matlab
Possibilité de thèse : Oui
Contrat-financement probable : Oui

Contact : Adrien Leblanc

Biobliography :
[1] Lobet, M, et al. “Generation of high-energy electron-positron pairs in the collision of a laser-accelerated electron beam with a multipetawatt laser.” Physical Review Accelerators and Beams 20.4 (2017): 043401.
[2] Vincenti, H. “Achieving extreme light intensities using optically curved relativistic plasma mirrors.” Physical review letters 123.10 (2019): 105001.
[3] Fedeli, L, et al. “Probing strong-field QED with Doppler-boosted petawatt-class lasers.” Physical review letters 127.11 (2021): 114801.

Résumé :

Les faisceaux d’électrons relativistes ont de nombreuses applications sociétales potentielles, notamment en médecine. Aujourd’hui deux types d’accélérateurs sont utilisés pour les générer : soit des accélérateurs linéaires, très encombrants et coûteux, soit l’accélération par laser dans un plasma, plus compact et moins chère mais pas encore applicable directement pour le grand public. C’est un domaine de recherche très actif depuis deux décennies avec plusieurs défis à relever tels que (i) augmenter la charge (nbre d’électrons), et (ii) améliorer l’aspect mono-énergétique des faisceaux.

À l’aide d’un laser femtoseconde de très haute puissance (quelques 100TW) focalisé à Ultra-Haute Intensité (UHI) deux types d’accélération ont été démontrés :

1.  par réflexion du laser sur cible solide : grâce à la haute densité, une forte charge de plusieurs dizaines de nanocoulombs (nC) est accélérée mais assez faiblement, quelques MeV, car sur une petite dimension (qq 10-100μm);
2. par propagation du laser dans un gaz, une bulle de plasma se forme dans le sillage de l’impulsion. Elle piège et accélère des électrons sur plusieurs centimètres pour atteindre de très grandes énergies, qq 100MeV, mais avec une charge plus modeste de l’ordre de ~1nC (gaz peu dense). Des cellules de gaz avec des chocs ont été développées pour injecter les électrons dans la bulle de façon très localisée afin de rendre le faisceau quasi-monoénergétique.

Au Laboratoire d’Optique Appliquée, nous avons démontré un nouveau type d’injection en associant un miroir plasma et un jet de gaz afin d’allier les forces des deux systèmes, voir figure, panneau a.

• Etape 1, l’injection: le laser se réfléchit sur une cible solide afin d’arracher une grande charge à partir de la haute densité et ceci de façon très localisée, juste à la surface de la cible.
• Etape 2, l’accélération: ensuite, le laser se propage sur quelques millimètres dans le gaz pour accélérer le paquet d’électrons à de hautes énergies et de façon monoénergétique. La preuve expérimentale d’une telle a été réalisée très récemment.

Objectifs:

Les faisceaux d’électrons générés par ce nouveau type d’accélérateur décuplent les performances de ces accélérateurs laser-plasma et permettent d’envisager des applications à moyen terme. D’un côté, les applications médicales en utilisant des lasers de moindre énergie mais à haute cadence, et d’un autre côté, l’augmentation drastique de la charge électronique disponible sur les plus grandes installations laser du monde (laser PetaWatt) pourrait permettre de démontrer pour la première fois expérimentalement des effets d’ElectroDynamique Quantique (qui prédit par exemple la création de matière dans le vide). Ces deux axes seront étudiés lors de la thèse.

Objectifs du stage / thèse:

90% expérimental, 10% théorie/simulations. (i) L’objectif principal est d’adapter les schémas expérimentaux développés à 100TW vers à la fois des lasers 10TW, et des lasers PW. De nombreuses expériences sur les plus grandes infrastructures laser du monde (APOLLON (Fr), ELI (Roumanie), BELLA (Californie)) auront lieu. (ii) Designer la cible hybride avec des simulations hydrodynamiques afin de minimiser les chocs lors de l’expansion du gaz contre la cible solide. (iii) Réaliser des simulations numériques de l’interaction afin de comprendre les différents paramètres d’injection et de déterminer quelle configuration permet d’optimiser les conditions d’accélération. (iv) Des expériences sur des échantillons biologiques sont envisagées sur les lasers 10TW.

Environnement:

Les parties de réalisation expérimentale et de développement de la cible hybride et se font au sein de l’équipe Sources ultra-rapides de particules et de rayons X (UPX) du LOA. Des expériences sur différents lasers (Bordeaux, Marseille, Californie, Roumanie) seront réalisées. Une équipe dynamique qui est à la pointe mondiale sur l’accélération d’électrons par laser. La partie théorie/numérique se fait en collaboration avec le CEA Saclay.

Possibilité de thèse Oui
Contrat-financement probable / Expected contract-funding ? Ecole Doctorale IPP

Contact :

Adrien Leblanc / Cedric Thaury

Les lasers multi-PW de pointe, comme APOLLON (France), et les accélérateurs à l’échelle km comme FACET-II à Stanford (USA) [1], permettent de créer sur Terre les conditions extrêmes pour des interactions fondamentales entre particules et champs. De telles interactions suivent les lois de l’électrodynamique quantique à champ fort (EDQ), qui est devenue un domaine scientifique prometteur offrant des opportunités passionnantes. Les effets QED à champ fort apparaissent lorsque le champ électrique subi par l’électron dans son référentiel de repos se rapproche du champ de Schwinger ES=m2c3/(eℏ), et leurs manifestations les plus spectaculaires incluent la production de paires électron-positon par diffusion Compton inverse et les processus non linéaires de Breit-Wheeler. Dans les installations laser multi-PW telles qu’APOLLON, des expériences QED à champ fort peuvent être réalisées en faisant entrer en collision des électrons de haute énergie produits par un nouveau type d’accélérateur de particules, à savoir un accélérateur à plasma piloté par laser, avec une impulsion laser à contre-propagation de haute intensité ou une autre source de champs forts. Plusieurs pistes seront explorées dans le projet ANR g4QED (Gamma photon sources as a path for strong-field QED experimentals), notamment deux concepts prometteurs : (i) l’utilisation d’un miroir plasma pour réfléchir l’impulsion laser et permettre la collision entre les électrons de haute énergie et l’impulsion laser [2], et (ii) l’utilisation de plusieurs feuilles pour focaliser le faisceau d’électrons à une très petite taille et utiliser le faisceau d’électrons focalisé lui-même comme source de champs puissants [3,4] .

Le stage et la thèse auront pour objectif de modéliser, théoriquement et numériquement, ces deux concepts et de fournir les meilleures stratégies pour les mettre en œuvre expérimentalement sur APOLLON et FACET-II. Les travaux impliqueront une grande variété de physiques : l’interaction entre les impulsions laser et les plasmas, entre les faisceaux de particules et le plasma, ainsi que la physique QED à champ fort que nous souhaitons dévoiler expérimentalement. Le développement d’une modélisation numérique avancée pour ce projet sera également essentiel pour fournir une interprétation physique précise des expériences. Durant le stage, l’étudiant travaillera plus spécifiquement sur le premier concept avec la modélisation de la formation des canaux plasma, la focalisation et la compression laser dans le plasma, l’accélération laser du plasma, la génération du miroir plasma pour la réflexion laser, et enfin la collision QED à champ fort. L’objectif est de comprendre son potentiel pour les expériences QED à champ fort, ainsi que les limites possibles ou les pistes d’améliorations supplémentaires.

[1] V. Yakimenko et al., Phys. Rev. Accel. Beams 22, 101301 (2019).

[2] K. Ta Phuoc et al., Nature Photonics 6, 308 (2012).

[3] A. Sampath et al., Phys. Rev. Lett. 126, 064801 (2021).

[4] A. Matheron et al., Comm. Phys. 6, 141 (2023).

Conditions de thèse : Le stage de M2 ​​peut être poursuivi par une thèse en cotutelle CEA et LOA, qui sera financée par le CEA à travers l’ANR g4QED (projet collaboratif CEA, LOA et LULI). De plus, le doctorant peut postuler pour devenir assistant d’enseignement à l’Ecole Polytechnique et dans d’autres écoles supérieures.

Contact : Igor Andriyash / Sebastien Corde

Vingt-cinq ans après la découverte des phénomènes de filamentation laser dans l’air par le Pr. Gérard Mourou, qui a reçu le prix Nobel en 2018, le domaine de la filamentation femtoseconde est toujours très actif [1]. En particulier, l’effet le plus frappant et le plus prometteur observé dans le canal plasma produit dans le filament est l’effet laser UV du plasma.

En effet, un laser sans cavité dans le ciel pourrait conduire à des améliorations révolutionnaires de la télédétection optique pour la science atmosphérique. Les molécules de N2, lorsqu’elles sont pompées par un laser femtoseconde intense, présentent un gain optique important dans le régime proche UV. Nous avons rapporté une émission vers l’avant intense autour de 391 ou 428 nm avec une énergie allant jusqu’à plusieurs µJ lors de la filamentation d’impulsions laser femtosecondes dans l’atmosphère [2]. De nombreux laboratoires étudient cet effet physique aux États-Unis, au Canada, en Autriche, en Russie, au Japon, en Chine et en France [3-5]. Malgré de nombreux travaux, l’origine physique de ce laser n’est toujours pas comprise et fait l’objet de controverses. En outre, l’intensité de l’émission laser en arrière dans l’air à pression atmosphérique devrait être améliorée pour une application à distance à l’échelle réelle.

Dans ce projet, nous voulons étudier d’une part l’origine fondamentale de l’émission laser et, d’autre part, améliorer l’efficacité de l’effet laser pour les applications de télédétection. Une grande partie du travail consistera en des mesures expérimentales réalisées sur les installations laser du LOA.

[1] A. Braun, G. Korn, X. Liu, D. Du, G. Mourou, “Auto-canalisation des impulsions laser femtosecondes à haute puissance de crête dans l’air”, Optics Letters 20, 73,‎ (1995)

[2] G. Point, Y. Liu, Y. Brelet, S. Mitryukovskiy, PJ Ding, A. Houard et A. Mysyrowicz, “Lasing of ambient air with microjoule pulse energy pomped by a multi-terawatt femtosecond laser,” Opter. Lett. 39 1725 (2014)

[3] Y. Liu, et al., « Sensibilité inattendue de l’émission superradiante des ions azote sur la longueur d’onde et la durée du laser de pompe », Phys. Rév. Lett. 119, 203205 (2017)

[4] H. Xu, et al., Inversion de population Sub-10-fs dans N2+ dans l’air laser par couplage d’états multiples, Nat. Commun. 6, 8347 (2015)

[5] A. Mysyrowicz, R. Danylo, A. Houard, V. Tikhonchuk, X. Zhang, Z. Fan, Q. Liang, S. Zhuang, L. Yuan, Y. Liu, « Lasing without population inversion in N2+ », APL Photonics 4, 110807 (2019)

Contact : Aurelien Houard

Possibilité de thèse après stage : OUI

Financement : NON

Physique de la matière condensée : OUI

Matière molle et physique biologique : NON

Physique quantique : OUI

Physique théorique : OUI

Un faisceau de lumière cohérente comme un laser présente généralement un front d’onde plan (phase plate), et peut-être polarisé circulairement (le champ électrique tourne autour de l’axe de propagation). On associe à cet état de polarisation un moment angulaire dit de spin. En revanche, si la polarisation est linéaire et le front d’onde tourne autour de l’axe de propagation (phase hélicoïdale), on dit que le faisceau lumineux porte un moment angulaire orbital. On y associe un nombre ℓ appelé charge topologique qui caractérise la forme du front d’onde (ℓ=0 plan, ℓ=1 simple hélice, ℓ=2 double hélice type ADN, etc…).

Un tel faisceau peut être généré relativement facilement et avec une bonne efficacité de conversion à l’aide d’une lame de phase ‘vortex’, qui introduit une différence de phase variant avec l’angle azimutal et donne au front d’onde sa forme hélicoïdale caractéristique. Les faisceaux vortex visible ou infrarouge ont énormément d’applications, comme entre autres la mise en rotation de molécules ou de nanostructures, la stimulation de transition dipolaires interdites, ou la réalisation de microscopie STED qui offre des résolutions dépassant la limite de diffraction.

On peut également utiliser un faisceau vortex pour générer des harmoniques d’ordres élevés dans un gaz. Il a été montré que ce processus hautement non-linéaire conserve le vortex du faisceau générateur, mais qu’une harmonique donnée porte une charge topologique ℓ égale à celle du faisceau générateur multiplié par l’ordre de l’harmonique. On travaille ainsi typiquement avec un faisceau de charge ℓ=25 autour de 32nm. C’est trop élevé pour mettre des molécules en rotation mais de nouveaux effets comme le dichroïsme hélicoïdal (matériau absorbant différemment des photons de moment azimutal opposé) ont été prédits, et la conversion à des courtes longueurs d’onde laisse envisager des mesures STED à des résolutions encore plus importantes.

On se propose d’amplifier une impulsion harmonique à 32nm portant un moment angulaire orbital afin d’augmenter fortement sa fluence. L’amplification laser dans le domaine XUV s’effectue, comme dans le domaine visible ou infrarouge, dans un milieu en inversion de population. Afin d’atteindre les différences d’énergies entre les niveaux atomiques correspondant aux rayons XUV, le milieu amplificateur est composé d’ions fortement chargés. Ils sont créés par un champ laser intense (qq 10^aines de TW) focalisé dans un jet de gaz à haute densité. Les électrons du plasma, chauffés par le laser, transfèrent leur énergie aux ions par collisions, ce qui place ces derniers en inversion de population. Le plasma à haute densité étant fortement réfractif, la propagation du faisceau laser principal est rendue possible par la mise en place préalable d’un guide d’onde plasma à l’aide d’un faisceau laser annexe. Cette technique d’amplification d’harmonique XUV est bien maîtrisée et possède une installation dédiée au laboratoire.

Durant le stage, l’étudiant participera à la mise en place de la génération d’harmonique XUV portant un moment angulaire orbital, son amplification et sa caractérisation à l’aide d’un senseur de front d’onde XUV. Une campagne d’expériences aura lieu au LOA, et une forte collaboration expérimentale avec l’équipe LASERIX de l’Université Paris Saclay qui possède également une installation dédiée à la génération et l’amplification d’harmonique est à prévoir.

Le candidat devra avoir une bonne formation en physique générale et optique. Des connaissances en physique des plasmas, physique non-linéaire ou optique X/XUV seront appréciées.

Le stage sera rémunéré et pourra donner lieu à une prolongation en thèse.

Contact : Fabien Tissandier

L’accélération laser-plasma est une technique qui permet d’accélérer des particules à des énergies relativistes sur des longueurs millimétriques. Physiquement, le mécanisme est le suivant : une impulsion laser femtoseconde est focalisée dans un plasma et y excite une onde plasma très intense. Cette onde plasma porte un champ électrique de quelques 100GV/m qui peut être utilisé pour accélérer les électrons du plasma. Cette méthode permet d’une part de réduire drastiquement la taille des accélérateurs de particules : on obtient par exemple des électrons de 1 GeV (l’énergie du faisceau du synchrotron SOLEIL) sur une distance de 1 cm seulement. D’autre part, on peut obtenir des faisceaux de particules dont les propriétés s’avèrent extrêmement intéressantes pour bon nombre d’applications de type médical, ou bien en imagerie X.

Un des points clés de la recherche actuelle est d’être capable de réaliser un accélérateur laser-plasma fonctionnant à haute cadence, en particulier pour les applications. Pour ce faire, le LOA et Thalès viennent de lancer un laboratoire commun dont le but est de développer les technologies laser et plasma afin de construire un accélérateur laser-plasma délivrant des faisceaux d’électrons relativistes à 100 Hz. Cet accélérateur sera ensuite utilisé pour générer une source de rayonnement X par diffusion Compton.

Le stage proposé s’inscrit dans ce contexte. L’étudiant.e participera à ce projet et travaillera de front sur deux aspects :

–       Participation au développement de la technologie laser à 100 Hz dans les laboratoires de Thalès laser à Elancourt. Cela inclut : participation au développement et à la caractérisation d’une nouvelle technologie d’amplificateurs lasers fonctionnant à 100 Hz

–       Travail de modélisation de l’accélération laser-plasma avec les paramètres du laser construit par Thalès. L’étude se fera à l’aide de simulations de type Particle In Cell et permettra de modéliser l’accélération d’électrons ainsi que le rayonnement X obtenu par diffusion Compton.

Le candidat aura une solide formation générale en physique. Des connaissances dans les domaines suivants seront appréciés : physique des plasmas, physique nonlinéaire, optique et laser. Le travail mélangera l’expérimental ainsi que la modélisation numérique.

Nous souhaitons vivement que le stagiaire poursuive son stage par une thèse CIFRE qui sera prise en charge par Thalès.

Nota bene :

L’équipe du LOA est pionnière dans l’accélération laser-plasma et en particulier dans l’utilisation de laser haute cadence dans ce domaine de recherche, voir https://loa.ensta-paris.fr/fr/recherche/groupe-de-recherche-appli/

L’équipe de Thalès est leader mondial dans la conception et la fabrication de laser ultra-intense à impulsions courtes.

Responsable du stage: Jérôme Faure

Quand une impulsion laser intense de durée femtoseconde se propage dans l’air, elle donne lieu à la filamentation, un processus spectaculaire où le faisceau se contracte spatialement pour former un mince canal de lumière dans lequel l’intensité est maintenue à ~1015 W /cm2. La filamentation s’accompagne de la formation d’une longue colonne de plasma de courte durée de vie générée dans le sillage de l’impulsion laser. Cette colonne présente notamment la capacité d’initier et de guider des arcs électriques de plusieurs mètres avec une grande reproductibilité (voir photo ci-dessous [1]).

Ces dernières années plusieurs applications basées sur les filaments de plasma ont été proposées telles que le paratonnerre laser [2] et l’antenne virtuelle radiofréquence [3].

Pour rendre possibles ces applications, il est nécessaire de caractériser et d’optimiser les paramètres du plasma produit par le laser femtoseconde ainsi que l’arc électrique guidé. Pour ce faire, différentes techniques de spectroscopie résolue en temps, d’interférométrie et d’imagerie [4] seront mises en œuvre dans le cadre de ce stage. Elles seront testées sur des expériences de guidage de décharges électriques en laboratoire dans le cadre du développement d’une antenne plasma et d’une application de paratonnerre laser.

Le candidat devra avoir des connaissances de base en optique ou en physique des plasmas, un bon niveau d’anglais et présenter de solides références scolaires.

Ce stage sera rémunéré et pourra donner lieu à une prolongation en thèse.

[1] B. Forestier, et al., “Triggering, guiding and deviation of long air spark discharges with femtosecond laser filament”, AIP Advances 2, 012151-13 (2012)

[2] J. Kasparian et al. Science 301, 61 (2003)

[3] Y. Brelet, et al., Radiofrequency plasma antenna generated by femtosecond laser filaments in air”, Applied Physics Letters 101, 264106 (2012)

[4] Improving supersonic flights with femtosecond laser filamentation, P.-Q. Elias, et al., Science Advances 4, eaau5239 (2018)

Ce stage pourra-t-il se prolonger en thèse ? Possibility of a PhD ? : OUI

Rémunération du stage/ financial support for the internship : OUI

Financement de thèse envisagé / financial support for the PhD : Ecole doctorale IP Paris

Type de stage et/ou de thèse (expérience/théorie/simulations) : Expérience

Contact : Houard Aurelien