Master Intership

Dans notre équipe, nous cherchons à réaliser des « paquets » d’électrons les plus courts possibles, c’est-à-dire quelques femtosecondes seulement (1 femtoseconde= 10-15s). Des faisceaux d’électrons de ce type pourraient avoir un très fort impact car ils permettent de sonder la matière à des échelles de temps inédites. Ils permettraient de littéralement « voir » les atomes bouger dans une molécule par exemple, ou bien dans le réseau cristallin d’un solide. Pour créer des faisceaux aussi courts, nous utilisons l’interaction d’un laser très intense avec un gaz, tel que l’hélium, l’azote ou l’argon. Lorsqu’un laser femtoseconde ultra-intense est focalisé dans le gaz, il commence par ioniser quasiment instantanément les atomes et on se retrouve à étudier le cas de l’interaction d’un laser avec un plasma. Aux intensités auxquelles nous travaillons, le champ électrique est tellement fort qu’il fait osciller les électrons du plasma à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. C’est le domaine de l’interaction laser-plasma relativiste qui est un régime fortement non-linéaire. On peut en particulier exciter très efficacement des ondes plasmas électroniques et les utiliser pour accélérer des électrons, créant par là-même de véritables accélérateurs de particules miniatures.

La particularité de nos recherches vient du fait que l’on utilise des champs lasers composés d’un seul cycle de lumière, soit une durée de seulement 3.5 fs ! Cela nous permet d’utiliser très peu d’énergie laser et de réaliser nos expériences avec un laser relativement petit, qui fonctionne à haute cadence (kHz). Nous sommes, depuis peu, capables d’accélérer des faisceaux d’électrons avec des énergies de 5 MeV à haute cadence (Guénot et al., Nature Photonics 11, 293 (2017)).

Le (la) stagiaire viendra se joindre à ce programme de recherche ambitieux. Il (elle) se joindra à notre équipe de recherche pour participer aux expériences d’interaction laser-plasma et d’accélération d’électrons. Le stagiaire se penchera plus particulièrement sur la caractérisation spatio-temporelle des impulsions laser en utilisant un mettant en place un nouveau diagnostic expérimental. Les résultats de mesure seront utilisés pour comprendre l’effet des couplages spatio-temporels du laser sur l’interaction laser-plasma et sur l’accélération des électrons. Le travail sera essentiellement expérimental : réalisation d’expériences, acquisition et traitement des données expérimentales, interprétation des expériences.

Nous cherchons un (une) étudiant(e) motivé(e), désireux(se) de se lancer dans l’expérimentation de pointe (tout en gardant conservant un aspect théorique significatif). Nous cherchons à recruter un doctorant et ce stage pourra donc se poursuivre par une thèse sur l’accélération d’électrons dans les plasmas avec des impulsions laser de quelques cycles optiques.

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

Si oui, financement de thèse envisagé/ financial support for the PhD: ANR et ou Ecole Doctorale IPP

Contact : Jerome Faure

Dans notre équipe, nous cherchons à réaliser des « paquets » d’électrons les plus courts possibles, c’est-à-dire quelques femtosecondes seulement (1 femtoseconde= 10-15s). Des faisceaux d’électrons de ce type pourraient avoir un très fort impact car ils permettent de sonder la matière à des échelles de temps inédites. Ils permettraient de littéralement « voir » les atomes bouger dans une molécule par exemple, ou bien dans le réseau cristallin d’un solide.

Pour créer des faisceaux aussi courts, nous utilisons l’interaction d’un laser très intense avec un gaz, tel que l’hélium, l’azote ou l’argon. Lorsqu’un laser femtoseconde ultra-intense est focalisé dans le gaz, il commence par ioniser quasiment instantanément les atomes et on se retrouve à étudier le cas de l’interaction d’un laser avec un plasma. Aux intensités auxquelles nous travaillons, le champ électrique est tellement fort qu’il fait osciller les électrons du plasma à des vitesses proches de la vitesse de la lumière. C’est le domaine de l’interaction laser-plasma relativiste qui est un régime fortement non-linéaire. On peut en particulier exciter très efficacement des ondes plasmas électroniques et les utiliser pour accélérer des électrons, créant par là-même de véritables accélérateurs de particules miniatures.

Notre équipe a reçu un financement important pour un nouveau projet (le projet LAPLACE Haute Cadence) dont le but est la réalisation d’un accélérateur laser-plasma fonctionnant à une cadence de 100 Hz et utilisant les dernières avancées des technologies en laser ultrabrefs. Un accélérateur laser-plasma fonctionnant à haute cadence pourra trouver de nombreuses applications dans le domaine médicale, l’imagerie ou encore la physique de la matière condensée.

Dans ce stage de fin d’étude, l’étudiant(e) se penchera dans un premier temps sur la conception d’un accélérateur laser- plasma. Dans un deuxième temps, il (elle) étudiera comment mettre à profit le mécanisme de diffusion Compton inverse pour générer une source X ultrabrève à partir des électrons accélérés dans le plasma. Le travail sera essentiellement théorique dans un premier temps avant de revêtir un caractère plus numérique avec l’utilisation de codes PIC (Particle In Cell). Le but final du stage sera de fournir un ensemble de paramètres laser et plasma optimum pour la génération de rayonnement Compton inverse.

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 sera essentiellement théorique et un goût pour la théorie et les méthodes numériques sera donc nécessaire. Ce stage pourrait se poursuivre par une thèse.

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

Si oui, financement de thèse envisagé/ financial support for the PhD: ANR et/ou Bourse Ecole Doctorale

Contact : Jérôme Faure

Le stage proposé s’inscrit dans la thématique de l’interaction laser-matière femtoseconde liée à la génération d’harmoniques produites dans les gaz. Le concept général est de développer des cibles de gaz novatrices permettant d’optimiser la production d’émission harmoniques dans la gamme des X mous (30 nm-3 nm) et avec des polarisations variables, afin de pouvoir réaliser ensuite (durant la thèse) des applications avec cette source autour du magnétisme ultrarapide dans des matériaux originaux.

Des nouvelles techniques de mesure optique et magnétique seront à l’étude. Le groupe est pionnier dans ce type d’activités, notamment à travers une collaboration depuis plus de 10 ans avec un laboratoire de Sorbonne université pour la partie magnétisme, et a démontré la plupart des techniques maintenant utilisées comme la diffusion magnétique de domaines magnétiques [1], le dichroïsme circulaire magnétique [2] et l’effet Faraday X [3]. Une installation laser expérimentale sera à disposition pour toutes ces études.

Le stage (thèse) se compose donc d’une grosse partie expérimentale autour du développement de systèmes mécaniques, de techniques optiques, et de l’utilisation d’une ligne de lumière laser et de rayonnements allant de l’UV à l’X. Ces installations sont sous vide avec notamment un travail important d’alignement, de motorisation et de mises en place d’optiques X focalisantes et de spectromètres.

Une collaboration existe également sur la partie calculs théoriques des sources harmoniques avec un laboratoire de Moscou, ce qui permettra à un étudiant plus complet de voir d’autres aspects de notre travail [4].

[1] B. Vodungbo et al. “Table-top resonant magnetic scattering with extreme ultraviolet light from

high-order harmonic generation”. EPL 94, 54003, 2011.

[2] G Lambert et al. “Towards enabling femtosecond helicity-dependent spectroscopy with high-harmonic

sources”. Nature communications 6 (1), 1-6, 2015.

[3] C Alves et al. “Resonant Faraday effect using high-order harmonics for the investigation of ultrafast

demagnetization”. Physical Review B 100 (14), 2019.

[4] S Stremoukhov et al. “Origin of ellipticity of high-order harmonics generated by a two-color laser field in

the cross-polarized configuration”. Physical Review A 94 (1), 013855, 2016.

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

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

Contact : Guillaume Lambert

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

PhD Thesis

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

Our team studies laser-plasma interaction with extreme laser pulse parameters. The laser pulse is composed of a few optical cycles so that the electromagnetic field oscillates only a few times in the pulse. This unique property brings us to an interesting regime that has not been studied much until now and in which the absolute phase of the laser (also called the carrier envelope phase, CEP) plays an important role.

The research is focused on several aspects: (i) making an ultra-compact electron accelerator relying on laser-plasma interaction, (ii) using that interaction to produce ultrashort X-UV radiation. In practice, our team performs laser-plasma interaction experiments in gas targets (for particle acceleration in underdense plasmas) but also on solid targets (for harmonic generation in overdense targets) using an ultra-intense high repetition rate laser. The obtained particle and radiation beams could have a very large impact because they could permit to probe matter at unprecedented time scales. They could permit the direct observation of atomic motion in a molecule for instance, or in the lattice of a solid state sample.

In this PhD work, the student will focus on the theory and numerical aspect of the research and study the physics of laser-plasma interaction in this new regime. He or she will use numerical simulations relying on the PIC (Particle In Cell) method and also theory for modeling and understanding the complex coupling of nonlinear effects occurring during the interaction. Effects such as plasma dispersion, ionization, relativistic self-focusing and their effect on the few cycle laser pulse will be studied. During the PhD, the student will provide theory and simulation support for providing guidance and interpretation to the experiments, both for underdense and overdense plasmas. In addition to providing this support, he or she will study a vast parameter space in order to be able to define the ideal laser source for driving a high repetition rate laser-plasma accelerator: laser wavelength, pulse duration, energy…The student will also model the X-ray radiation that such a source could produce.

Contact : Jérôme FAURE

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

Postdoc positions

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