étude de l'accélération d'ions par laser dans le régime de transparence induite relativiste avec des feuilles minces et des cibles cryogéniques // Study of the laser-driven ion acceleration in the relativistically induced transparency regime using ultra-t

L’accélération d’ions par laser (LDIA) constitue une alternative compacte et économique aux accélérateurs conventionnels. Des progrès récents ont permis d’atteindre des énergies de protons allant jusqu’à 160 MeV grâce à l’utilisation de cibles ultra-minces irradiées par des impulsions laser ultra-intenses, exploitant le régime de transparence relativiste. Ce régime se manifeste lorsque l’impulsion laser pénètre un plasma quasi-critique, obtenu en adaptant l’épaisseur de la cible aux paramètres laser, permettant ainsi une accélération multi-process qui augmente l’énergie des protons, sans recourir à des techniques limitant la cadence de tir. Ce projet de thèse vise à optimiser ce schéma d’accélération pour atteindre des énergies de l’ordre de 200 MeV, en s’appuyant sur des installations laser à haute cadence de répétition.

La première phase consiste en des simulations 3D de type Particle-In-Cell (PIC), réalisées avec le code Smilei, afin d’étudier la sensibilité de l’interaction laser-cible au profil temporel du laser, et ainsi renforcer la robustesse du processus. La seconde phase explore l’utilisation de rubans d'hydrogène cryogénique, développés par le CEA, comme alternative aux feuilles solides. Ces cibles présentent une densité électronique quasi-critique, une épaisseur modulable, une compatibilité avec les cadences élevées, et génèrent un faisceau d’ions mono-espèce. Ce travail sera mené en collaboration avec le LULI et le CEA, avec des expérimentations prévues sur l’installation Apollon.
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Laser-driven ion acceleration (LDIA) presents a compact and cost-effective alternative to traditional particle accelerators. Recent developments have enabled proton energies up to 160 MeV using ultra-thin foil targets irradiated by ultra-intense laser pulses, exploiting relativistic transparency regimes. This regime occurs when the laser pulse penetrates a near-critical plasma, generated by tailoring target thickness to the laser parameters, enabling multi-stage acceleration and enhancing proton energies without the need for contrast-enhancing techniques like plasma mirrors. This PhD project aims to further optimize proton acceleration in the transparency regime, with the goal of achieving 200 MeV energies using high-repetition-rate laser systems.

The first phase involves 3D Particle-In-Cell (PIC) simulations with Smilei, focusing on the sensitivity of laser-target interaction to temporal laser profiles for robust acceleration. The second phase investigates cryogenic hydrogen ribbon targets, developed by CEA, as an alternative to solid foils. These targets are near-critical in density, tunable in thickness, and compatible with high-repetition-rate operation, while providing mono-species proton beams. Experimental work will be conducted in collaboration with LULI and CEA, with preparations for experiments at the Apollon facility.
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Pôle fr : Direction des Applications Militaires
Pôle en : Military Applications
Département : BOR
Laboratoire : CELIA
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : Ecole Doctorale des Sciences Physiques et de l’Ingénieur
Directeur de thèse : D'HUMIERES Emmanuel
Organisme : UNIVERSITE BORDEAUX
Laboratoire : CELIA

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction des Applications Militaires
Pôle en : Military Applications
Département : BOR

master de physique ou école d'ingénieur en physique