Stages de Masters

As an ionized media, a plasma is not subject to electrical breakdown and can therefore withstand electric fields of extremely large amplitude. Laser-plasma accelerators are based on this property. An intense laser pulse is focused in a gas cloud that is instantaneously turned into a plasma. The laser then expels electrons out of the propagation axis and generates an ion cavity in its wake. The electric fields in this cavity are 3 to 4 orders of magnitude larger than those in conventional accelerators. Electrons trapped in the cavity can thus be accelerated up to energies of a few gigaelectronvolts in just a couple of centimeters, while it would require hundreds of meters with a radio-frequency accelerator.

The maximum energy is mainly limited by the dephasing between the electron beam and the accelerator field.This phenomenon arises from the difference in speed between the laser driver and the electron beam, which makes that the electron beam exits the accelerating field after a few centimeters of acceleration. This limitation could, in principle, be suppressed by controlling the velocity of the ion cavity, in order to lock it on the laser velocity. In practice, this implies that the laser pulse should propagate in a vacuum at a superluminal speed (> c). Different techniques make it possible to obtain this type of propagation, but they are not compatible with ultra-high intensity laser pulses, yet.

The objective of the internship is to demonstrate a technique that we have recently proposed and that allows producing superluminal pulses of arbitrary intensities. The student will use an interferometer to measure the speed of propagation. It will also test the effect of different parameters on this speed. This work could be completed by a theoretical study.

The internship could be pursued into a PhD during which the superluminal laser beam will be used to accelerate electrons. The student will also study the physics of this new regime of laser-plasma interaction that shouldallow increasing the electron energy by at least one order of magnitude, compared to the state of the art.

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

Si oui, financement de thèse envisagé/ financial support for the PhD: IPP grant

Contact : Cedric Thaury

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

Contexte :

Le contrôle non destructif (CND) permet de détecter et dimensionner les défauts d’objets ainsi que de suivre leur évolution, avec des enjeux en termes de sécurité (éviter les accidents critiques dus à une rupture), de performance (identifier les réparations à faire, prévoir les phases de maintenance) et de qualité (contrôler la qualité de soudures par exemple). Les champs d’application sont très divers : l’énergie (nucléaire, pétrolière, gazière, hydraulique, éolienne, etc.) ; les transports terrestres (notamment ferroviaires) ; la marine ; l’aéronautique ; l’aérospatiale ; la défense et la sécurité… Parmi les différents procédés de CND, l’inspection par rayons X constitue un diagnostic très recherché car celui-ci offre les meilleures performances, notamment en termes de résolution spatiale pour des épaisseurs importantes de matériaux. Le LOA et son partenaire SourceLAB (spin-off du LOA) mènent depuis 2015 un projet unique au monde de développement d’un accélérateur laser-plasma pour le contrôle non destructif de la matière dense et épaisse. Ce projet, soutenu par la DGA a pour objectif la mise en fonctionnement au LOA du premier démonstrateur au monde de tomographie X à haute énergie. Il s’agit d’une innovation technologique de rupture pour le marché du CND. Les sources actuellement utilisées (accélérateurs de particules conventionnels et les sources radioactives) restent limitées en termes de résolution spatiale et d’énergie X. L’intérêt des sources laser-plasma est multiple : (i) résolution sub-millimétrique pour l’identification de petits défauts, (ii) versatilité et potentiel de production de diverses radiations (X, électrons, neutrons) à partir de la même machine, permettant une identification d’éléments spécifiques dans les images.

Sujet de la thèse :

L’objectif général de la thèse est de développer le jumeau numérique de l’expérience de radiographie X menée au LOA afin de l’optimiser et de démontrer sa pertinence pour le CND. Le candidat sera encadré par un ingénieur de recherche spécialiste des codes numériques et un chercheur CNRS. Il sera intégré dans une équipe dédiée à ce projet, qui est constituée d’un ingénieur laser, d’un ingénieur de recherche, d’un ingénieur en CDD et d’un post-doc qui travaillent sur les expériences. Les travaux seront également menés en étroite collaboration avec la startup Sourcelab. Le premier objectif sera de simuler complètement l’expérience en utilisant un code Particle In Cell (PIC) pour la modélisation de l’accélération laser-plasma, puis un code Monte-Carlo pour modéliser l’interaction électron-matière et enfin l’interaction X-matière dans l’objet radiographé et le détecteur. Dans un deuxième temps, le but sera de mener une exploration numérique et algorithmique pour améliorer le traitement des images X et augmenter leur
qualité. Cette optimisation se fera tout d’abord sur des images bidimensionnelles, puis sur des reconstructions tri-dimensionnelles en identifiant les algorithmes de tomographie adaptés.

Profil recherché :

Le candidat doit avoir des connaissances générales en optique et physique et un goût affirmé pour la simulation. La maîtrise d’un ou plusieurs langage de programmation serait un plus. Il devra être autonome, avoir un bon esprit de synthèse et une bonne capacité rédactionnelle.

Contact : cedric.thaury@ensta.fr

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

Quand une impulsion laser intense de durée femtoseconde se propage dans l’air ou dans l’eau, l’apparition de nombreux effets d’optique non-linéaire donne lieu à la filamentation, un processus spectaculaire où une partie de l’énergie du faisceau se contracte pour former un long canal dans lequel l’intensité est maintenue à ~10^15 W /cm2. Ces filaments permettent d’envisager des applications telles que le guidage de faisceaux laser énergétiques ou de micro-ondes, le contrôle d’écoulements hydrodynamiques en régime supersonique, la génération de rayonnement laser UV ou d’impulsions THz à distance ou enfin le paratonnerre laser [1-3].
Une des difficultés liée à l’utilisation des nouvelles sources laser de très haute puissance est que le processus de filamentation devient fortement imprédictible. En effet, lorsque la puissance crête du faisceau dépasse la centaine de Gigawatt, celui-ci donne naissance à une multitude de filaments qui se développent par un mécanisme d’instabilité modulationnelle. L’objectif de cette thèse sera de tester expérimentalement plusieurs méthodes de mise en forme d’impulsions (optique adaptative, lames de phase, interféromètre pour la génération de trains d’impulsions..) permettant de contrôler l’apparition des filaments, de les organiser spatialement et d’optimiser les mécanismes d’ionisation. Les expériences seront réalisées au LOA sur les installations laser du groupe Filamentation et Interaction Laser Matière (F-ILM).

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

Contexte :

Le contrôle non destructif (CND) permet de détecter et dimensionner les défauts d’objets ainsi que de suivre leur évolution, avec des enjeux en termes de sécurité (éviter les accidents critiques dus à une rupture), de performance (identifier les réparations à faire, prévoir les phases de maintenance) et de qualité (contrôler la qualité de soudures par exemple). Les champs d’application sont très divers : l’énergie (nucléaire, pétrolière, gazière, hydraulique, éolienne, etc.) ; les transports terrestres (notamment ferroviaires) ; la marine ; l’aéronautique ; l’aérospatiale ; la défense et la sécurité… Parmi les différents procédés de CND, l’inspection par rayons X constitue un diagnostic très recherché car celui-ci offre les meilleures performances, notamment en termes de résolution spatiale pour des épaisseurs importantes de matériaux. Le LOA et son partenaire SourceLAB (spin-off du LOA) mènent depuis 2015 un projet unique au monde de développement d’un accélérateur laser-plasma pour le contrôle non destructif de la matière dense et épaisse. Ce projet, soutenu par la DGA a pour objectif la mise en fonctionnement au LOA du premier démonstrateur au monde de tomographie X à haute énergie. Il s’agit d’une innovation technologique de rupture pour le marché du CND. Les sources actuellement utilisées (accélérateurs de particules conventionnels et les sources radioactives) restent limitées en termes de résolution spatiale et d’énergie X. L’intérêt des sources laser-plasma est multiple : (i) résolution sub-millimétrique pour l’identification de petits défauts, (ii) versatilité et potentiel de production de diverses radiations (X, électrons, neutrons) à partir de la même machine, permettant une identification d’éléments spécifiques dans les images.

Sujet du post-doctorat :

L’objectif général du post-doctoral est de développer les capacités et performances de la source X en terme de stabilité, résolution et rapport signal sur bruit et de démontrer sa pertinence pour le CND. Le candidat sera encadré par un ingénieur de recherche et un chercheur CNRS. Il sera intégré dans une équipe dédiée à ce projet, qui est constituée en plus du post-doc, par un ingénieur laser, un ingénieur en CDD qui travaillera sur les expériences et un étudiant en thèse qui s’occupera de la partie numérique. Les premiers objectifs seront, la qualification de la source X, qui vient d’être mis en fonctionnement, et son optimisation à 10 Hz pour une résolution sub-1mm. Dans un deuxième temps le but sera d’effectuer la tomographie d’une pièce épaisse avec résolution sub-mm, ainsi que d’optimiser expérimentalement la source X pour se rapprocher d’une résolution sub-100 microns, en se basant sur les résultats numériques obtenus dans le cadre du projet. L’objectif final sera d’effectuer la tomographie d’objets d’intérêts avec le système optimisé. L’épaisseur des pièces considérées dépendra des résultats obtenus précédemment.

Profil recherché :

Le candidat devra avoir de solides compétences en physique expérimentale et l’utilisation de systèmes complexes. Il devra avoir déjà utilisé des laser ultraintenses pour des expériences d’interactions laser-matière. Des compétences sur les accélérateurs d’électrons, les sources X associées, ou l’imagerie X seraient un plus. Il doit avoir un goût développé pour le travail en équipe, l’expérimentation et le développement d’instrumentation.

Contact : cedric.thaury@ensta.fr

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