Miroirs plasmas: vers des sources lumineuses d'intensités extrêmes et des accélerateurs d'électrons compacts de haute-qualité // Plasma Mirrors Towards Extreme Intensity Light Sources and High-Quality Compact Electron Accelerators

Les programmes de recherche menés au sein du Laboratoire Interactions et Dynamique des Lasers (Lidyl) du Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) visent à comprendre les processus fondamentaux impliqués dans les interactions lumière-matière et leurs applications. Au sein du CEA-LIDYL, le groupe Physique à Haute Intensité (PHI) étudie les interactions laser-matière à des intensités extrêmes, pour lesquelles la matière se transforme en plasma ultra-relativiste. À l'aide de la théorie, de simulations et d'expériences, les chercheurs développent et testent de nouveaux concepts pour contrôler l'interaction laser-plasma dans le but de produire de nouvelles sources d'électrons relativistes et de lumière attoseconde X-UV, avec des applications potentielles en recherche fondamentale, médecine et pour l'industrie.

En collaboration avec le Lawrence Berkeley National Laboratory, le groupe est l'un des principaux développeurs des codes exascales Particle-In-Cell (PIC) WarpX/PICSAR pour la modélisation haute fidélité des interactions laser-matière. Il est également à l'origine de l'étude et du contrôle de composants optiques remarquables appelés "miroirs - plasma", qui peuvent être obtenus en focalisant un laser de forte puissance avec un contraste élevé sur une cible initialement solide. Au cours des cinq dernières années, le groupe PHI a développé deux concepts exploitant les miroirs plasma pour manipuler la lumière extrême afin de repousser les frontières de la science de haut niveau. Le premier concept utilise des miroirs plasma relativistes pour amplifier l'intensité des lasers existants par des ordres de grandeur et sonder de nouveaux régimes de l'électrodynamique quantique à champ fort (SF-QED). Le second utilise des miroirs plasma comme injecteurs de charge élevée pour augmenter la charge produite dans les accélérateurs laser-plasma (LPA) afin de permettre leur utilisation pour des études médicales, des applications industrielles et la recherche fondamentale (conception de collisionneurs, collisions électron-laser pour les études SF-QED).

Dans ce contexte, le candidat au doctorat aura pour tâche d'améliorer d'abord notre outil de simulation WarpX pour accélérer les simulations de miroirs à plasma. Il utilisera ensuite WarpX pour optimiser l'utilisation des miroirs plasma comme amplificateurs d'intensité pour l'étude de la SF-QED. En collaboration avec l'équipe de Brigitte Cros au CNRS et dans le cadre de la conception de nouveaux collisionneurs basés sur des accélérateurs laser-plasma (LPA), le doctorant étudiera et optimisera l'utilisation de miroirs plasma comme composants optiques pour le couplage de plusieurs étages LPA. Cela sera crucial pour développer des schémas d'accélération compacts qui peuvent être mis à l'échelle pour produire des faisceaux d'électrons de haute énergie et de haute qualité.
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The research programs conducted at the Lasers Interactions and Dynamics Laboratory of the French Atomic Energy Commission (CEA) aim to understand the fundamental processes involved in light-matter interactions and their applications. As part of the CEA-LIDYL, the Physics at High Intensity (PHI) group conducts studies of laser-matter interactions at extreme intensities, for which matter turns into an ultra-relativistic plasma. Using theory, simulations and experiments, researchers develop and test new concepts to control the laser-plasma interaction with the aim to produce novel relativistic electron and X-UV attosecond light sources, with potential applications to fundamental research, medicine and industry.

In collaboration with the Lawrence Berkeley National Laboratory, the group is a core developer of the exascale Particle-In-Cell (PIC) codes WarpX/PICSAR for the high-fidelity modelling of laser-matter interactions. It also pioneered the study and control of remarkable optical components called ‘plasma mirrors’, which can be obtained upon focusing a high-power laser with high-contrast on an initially solid target. In the past five years, the PHI group has developed two concepts exploiting plasma mirrors to manipulate extreme light for pushing the frontiers of high-field science. The first concept uses relativistic plasma mirrors to amplify the intensity of existing lasers by orders of magnitude and probe novel regimes of Strong-Field Quantum Electrodynamics (SF-QED). The second uses plasma mirrors as high-charge injectors to level up the charge produced in laser-plasma accelerators (LPAs) to enable their use for medical studies, industrial applications and fundamental research (collider design, electron-laser collisions for SF-QED studies).

In this context, the PhD candidate will first improve our simulation tool WarpX to speed-up plasma mirror simulations. They will then use WarpX to optimize the use of plasma mirrors as intensity boosters for the study of SF-QED. In collaboration with Brigitte Cros's team at CNRS and within the framework of novel collider designs based on Laser-Plasma Accelerators (LPAs), the PhD candidate will finally investigate and optimize the use of plasma mirrors as optical components for the coupling of multiple LPA stages. This will be crucial for developing compact acceleration schemes that can be scaled to produce high-energy, high-quality electron beams.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers
Laboratoire : Physique à Haute Intensité
Date de début souhaitée : 01-09-2025
Ecole doctorale : Ondes et Matière (EDOM)
URL : https://iramis.cea.fr/en/pisp/henri-vincenti/
URL : https://iramis.cea.fr/lidyl/phi/

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut rayonnement et matière de Saclay
Service : Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers