Stages de Masters

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 10aines 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

Thèses

Laser-plasma electron acceleration offers a unique way to produce highly energetic and ultra-short electron bunches, on very short distances. It have risen much interest since the first, pioneering, experiments in the early 2000s (Malka 2002; Faure et al. 2004). The interaction between an intense laser pulse and a target material is responsible of the whole extraction, selection and acceleration process, which makes primordial the understanding of the role of the involved parameters, such as the target density, shape and profile, laser duration, phase and intensity.
Among the research fields which laser-driven particle sources are relevant for, radiation biology opens to the exploration of fundamental aspects of radiation toxicity on living matter, that will be accessible only with a radiation source as short as the physical dose deposition time (Bayart et al. 2019; Favaudon et al. 2000; 2014). In order to make laser-driven electron sources interesting and compatible with radiobiology applications, a number characteristics should be addressed, such as the total charge per accelerated bunch, the spectral features, the stability and the duration. The required improvements demand a deep understanding of the acceleration mechanisms, the design of novel acceleration strategies and schemes.
Throughout the thesis activity, high potential topics for fundamental and applied science will be addressed, in the field of laser-created plasmas, particle acceleration, particle detection or dosimetry and engineering of experimental systems towards applications.

keywords :Ultra-intense lasers, Laser-plasma interaction, Laser-driven electron acceleration, Numerical simulations, Ultra-high dose-rate

Contact : Alessandro Flacco / Cédric Thaury

Our group has recently demonstrated a new scheme to achieve backward lasing from air plasma using circularly polarized 800 nm femtosecond pulses [2-4], which is widely available especially for high energy pulses. Up to now, there exist several important fundamental questions concerning this new scheme of backward lasing. For example, the presence of oxygen molecules is found to decrease the lasing efficiency significantly and the physical mechanism for this detrimental role is unclear. At the same time, the pulsed backward emission has not been characterized in the temporal domain and the dynamics of this lasing process is largely unknown. As to its applications, it is still at an early stage.

The student will participate in a series of research activities in order to clarify the fundamental physical mechanisms involved in the lasing actions of neutral nitrogen, to characterize this transit lasing process in the temporal domain. Another aspect of his/her research is to search for the optimal operational conditions for the backward nitrogen laser and improve its properties such as pulse energy and divergence. Several schemes have been envisaged at this moment.

Contact : Houard Aurelien

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

Contact : Houard Aurelien

Post-doctorat

Contexte :

Le Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) développe une nouvelle technique d’imagerie par rayons X 3D, appelée plénoptique, basée sur la combinaison d’une optique principale et d’un capteur de front d’onde. Trois systèmes ont été construits. Le premier était un démonstrateur fonctionnant au synchrotron PETRA III en Allemagne à une énergie de 11 keV. Il est maintenant démonté après avoir produit d’excellents résultats. Une autre caméra est installée et vise à imager des cellules biologiques vivantes. Il fonctionne autour de 400 eV. Le dernier système cible l’imagerie du petit animal avec des rayons X d’énergie autour de 17 keV. Les deux systèmes sont de table.

Les deux systèmes doivent encore être entièrement testés et améliorés. La caméra basse énergie fonctionne au LOA, près de Paris, tandis que le système haute énergie est installé dans la société Imagine Optic à Bordeaux, en France. L’équipe de LOA est en charge de l’exploitation et de l’amélioration des deux systèmes via un accord de collaboration.

Aujourd’hui, nous utilisons trois logiciels : ceux spécifiquement développés pour les caméras plénoptiques dites focalisées et non focalisées et un logiciel maison intégrant les deux géométries. Ces logiciels sont trop lents et complexes pour générer une image 3D.

Thème de la bourse post-doctorale :

Un poste post-doctoral est ouvert au sein du groupe FLUX pour 18 mois avec possibilité de prolongation. Durant cette période, le post-doctorant sera en charge d’analyser la capacité d’un logiciel de vision industrielle à générer efficacement une image 3D à partir des données plénoptiques brutes. La disparité ainsi que l’apprentissage automatique sont deux options que nous considérons. Le candidat devra choisir une ou plusieurs techniques, la/les mettre en œuvre puis la/les tester sur des images plénoptiques X réelles.

Profil recherché :

Le candidat doit avoir développé de solides compétences informatiques liées à la vision industrielle. Une bonne connaissance de PYTHON est un plus mais pas obligatoire. Le candidat devra être rigoureux et avoir une bonne capacité à travailler en équipe. L’anglais est la langue de travail.

Contact : philippe.zeitoun@ensta.fr

Contexte :

Le Laboratoire d’Optique Appliquée (LOA) développe une nouvelle technique d’imagerie par rayons X 3D, appelée plénoptique, basée sur la combinaison d’une optique principale et d’un capteur de front d’onde. Trois systèmes ont été construits. Le premier était un démonstrateur fonctionnant au synchrotron PETRA III en Allemagne à une énergie de 11 keV. Il est maintenant démonté après avoir produit d’excellents résultats. Une autre caméra est installée et vise à imager des cellules biologiques vivantes. Il fonctionne autour de 400 eV. Le dernier système cible l’imagerie du petit animal avec des rayons X d’énergie autour de 17 keV. Les deux systèmes sont de table.

Les deux systèmes doivent encore être entièrement testés et améliorés. La caméra basse énergie fonctionne au LOA, près de Paris, tandis que le système haute énergie est installé dans la société Imagine Optic à Bordeaux, en France. L’équipe de LOA est en charge de l’exploitation et de l’amélioration des deux systèmes via un accord de collaboration.

Thème de la bourse post-doctorale :

Un poste post-doctoral est ouvert au sein du groupe FLUX pour 18 mois avec possibilité de prolongation. Durant cette période, le post-doctorant sera chargé de finir de paramétrer les deux systèmes, de les tester puis de les optimiser. Dans les deux cas, l’objectif principal consiste à générer des images 3D d’échantillons adéquats en une seule pose. Des échantillons connus comme l’USAF 1951 seront utilisés en premier; nous passerons plus tard aux échantillons biologiques fournis par nos collaborateurs. La mesure de la dose délivrée pour générer une image 3D sera effectuée à chaque étape. Les échantillons les plus intéressants seront imagés par tomodensitométrie à rayons X et les résultats seront comparés à ceux obtenus par plénoptique à rayons X.

Profil recherché :

Le candidat doit avoir une solide expérience en optique ou en utilisant des systèmes optiques complexes. Des connaissances sur les rayons X, les logiciels de conception optique (ZEEMAX, OSLO etc) ou PYTHON sont un plus mais pas obligatoires. Le candidat devra être rigoureux et avoir une bonne capacité à travailler en équipe. L’anglais est la langue de travail.

Contact : philippe.zeitoun@ensta.fr

Contexte

L’apparition des systèmes laser ultra-courts de haute puissance à la fin des années 90, et les avancées technologiques récentes dans les amplificateurs pompés par diodes, permettent aujourd’hui d’envisager à moyen terme le développement d’applications inédites des lasers de durée femtoseconde qui ont fait l’objet du prix Nobel de physique en 2018.

Le présent projet consiste à étudier l’utilisation de filaments laser femtoseconde pour produire une antenne plasma « virtuelle » émettant dans la gamme RF [2]. Pour ce faire, il sera nécessaire d’enrichir la colonne de plasma initialement créée par l’impulsion laser femtoseconde à l’aide d’un générateur haute-tension [2,3] ou d’une source micro-onde de puissance [4]. Les deux méthodes seront testées expérimentalement dans les locaux LOA et l’antenne plasma sera caractérisée à l’aide de divers diagnostics (caméra rapide, interférométrie, mesure de rayonnement..).

Profile du candidat

Le candidat devra avoir de solides connaissances en physique des plasmas, en diagnostics optiques ou plasma, et des notions d’optique.

Salaire net mensuel : entre 2100 et 2700 euros suivant l’expérience du candidat Durée du contrat : un à deux ans.

Les travaux étant réalisés dans le cadre d’un contrat de la DGA, le candidat devra être issu de l’Union européenne ou de la Suisse.

Contact : Houard Aurelien