Modélisation multi-physique de composants plasma pour l'accélération d'électrons à hautes énergies par sillage laser-plasma // Multiphysics modelling of long plasma components for high energy Laser Wakefield Acceleration of electrons

FR
L'accélération par sillage laser plasma (Laser Wakefield Acceleration, LWFA) d'électrons [1] est un mécanisme basé sur le couplage non linéaire entre des impulsions laser de haute intensité et un plasma, capable de générer des champs accélérateurs extrêmement intenses pour la production de faisceaux d'électrons relativistes sur de courtes distances. Ce mécanisme physique présente un grand intérêt pour un large éventail d'applications, notamment le développement de nouvelles technologies pour les accélérateurs de particules [2, 3].

En particulier, le développement d'accélérateurs d'électrons de haute énergie basés sur la LWFA nécessite de maintenir l'accélération des électrons sur de longues distances, bien au-delà de la longueur de diffraction de l'impulsion laser pilote. Pour atteindre cet objectif, l'impulsion laser doit être guidée ; de manière analogue aux guides d'ondes utilisés pour les lasers de faible intensité, comme les fibres optiques, l'indice de réfraction du plasma peut être mis en forme afin de guider des impulsions laser intenses.

Pour relever ce défi, les canaux plasma issus de l'ionisation par champ électrique du laser se sont révélés être une voie prometteuse [4], qui doit être approfondie. L'objectif du travail proposé est d'explorer de nouvelles approches pour guider des impulsions laser intenses sur de longues distances, afin de fournir des solutions permettant d'accélérer des électrons à haute énergie (au-delà de 1 GeV), pouvant être utilisées à de plus hautes énergies.

Cette étape est cruciale pour plusieurs projets internationaux tels que EuPRAXIA [2] et ALEGRO [3], dans lesquels l'équipe ITFIP du LPGP est fortement impliquée.
Dans le cadre du projet de thèse proposé, mené en collaboration entre le LPGP et le CELIA, le doctorant développera des stratégies numériques pour modéliser la formation de canaux de plasma par ionisation optique ainsi que l'évolution suivie par l'évolution hydrodynamique du plasma. Le candidat intégrera la mise en œuvre de modèles physiques simulant différentes échelles caractéristiques, en s'appuyant sur des modèles et des codes numériques issus de la littérature existante et développés au cours du projet de thèse.

Les outils et processus de modélisation développés seront essentiels pour concevoir de futures expériences utilisant des canaux de plasma pour la LWFA d'électrons sur de longues distances, vers des énergies dépassant le GeV. Selon les intérêts du doctorant, des contributions aux travaux de l'équipe expérimentale seront également possibles.
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EN
Laser Wakefield Acceleration (LWFA) of electrons [1] is a mechanism based on nonlinear coupling between high-intensity laser pulses and plasmas, able to generate extremely high accelerating fields for the generation of relativistic electron beams over short distances. This physical mechanism is of great interest for a wide range of applications, including the development of a future technology for particle accelerators [2, 3].

In particular, the development of high-energy electron accelerators based on LWFA requires sustaining electron acceleration over long distances, well beyond the natural diffraction length of the driving laser pulse. To achieve this result, the laser pulse must be guided; similarly to waveguides for low intensity lasers, such as optical fibers, the refractive index associated to plasmas can be shaped to guide intense laser pulses.

To tackle this challenge, plasma channels resulting from optical field ionisation have been shown to be a promising avenue [4], that needs to be further explored. The objective of the proposed work is to explore novel ways to guide intense laser pulses over long distances, providing solutions to accelerate electrons to high energy (above 1 GeV) in a scalable way.

This step is crucial for several international projects like EuPRAXIA [2] and ALEGRO [3], where the team ITFIP at LPGP is actively involved. In the context of the proposed thesis project, conducted in collaboration between the LPGP and CELIA, the PhD candidate will develop numerical strategies to model the formation of plasma channels through optical ionization and the subsequent plasma evolution. The candidate will interface the implementation of physical models simulating different characteristic physical scales, using models and numerical codes drawn from the existing literature, and developed during the thesis project.

The resulting modelling workflows and tools will be essential to design future experiments using plasma channels for long-distance LWFA of electrons toward energies exceeding the GeV level. Depending on the interest of the PhD candidate, contributions to the work of the experimental team will also be possible
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Début de la thèse : 01/10/2026

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique*Programme pour normalien ENS Paris-Saclay

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

FR Nous recherchons une personne très motivée pour apporter une contribution significative au domaine de l'accélération par sillage laser plasma (Laser Wakefield Acceleration). Le profil recherché comprend : - Un diplôme de Master 2 en physique, ingénierie ou mathématiques appliquées ; - Un fort intérêt pour la modélisation physique appliquée; - Une solide compréhension de l'électromagnétisme, de la dynamique relativiste classique et de l'optique; - De bonnes connaissances en physique des plasmas; - Une maîtrise du langage Python et des notions de base en LaTeX; - Des connaissances de base des méthodes numériques pour la résolution d'équations différentielles (par exemple : différences finies, volumes finis, éléments finis, méthodes spectrales); - Au moins une expérience dans le développement d'un solveur numérique pour une équation différentielle ou dans la mise en place d'un diagnostic pour un programme de simulation numérique; - Une très bonne maîtrise de l'anglais écrit et oral, permettant de comprendre la littérature scientifique, de présenter des résultats lors de conférences internationales et de rédiger des publications (une expérience préalable n'est pas requise); - De la rigueur, une aptitude analytique développée, une habitude de la réflexion critique, de la résolution de problèmes et de la gestion efficace du temps; - La capacité ou la volonté de travailler efficacement en équipe et avec des collaborateurs/collaboratrices aux profils variés; - La capacité à expliquer et à synthétiser des concepts et des résultats pour des personnes issues de disciplines diverses. Les compétences et expériences suivantes seront considérées comme des atouts : - Des connaissances de base en accélération par sillage laser plasma; - Des connaissances de base sur la dynamique des faisceaux de particules chargées et la physique des accélérateurs (concepts d'émittance, de charge d'espace, d'équations d'enveloppe pour un faisceau d'électrons); - Une expérience dans l'utilisation ou le développement d'un code de type Particle-in-Cell (PIC); - Une expérience dans l'interfaçage entre différents codes de simulation; - Une expérience avec des logiciels de gestion de versions et de développement collaboratif tels que GitHub, GitLab ou Mercurial.
EN We are looking for a highly motivated candidate to make significant contributions to the field of Laser Wakefield Acceleration. The desired profile includes: - Master Degree in Physics, Engineering, or Applied Mathematics - Strong interest in applied physics modelling - Deep understanding of electromagnetism, classical relativistic dynamics, and optics - Strong knowledge in plasma physics. - Proficiency in Python, and basic knowledge of LaTeX. - Basic knowledge of numerical methods for solving differential equations (e.g., finite differences, finite volumes, finite elements, spectral methods) - At least one experience in developing a numerical solver for a differential equation or in developing a diagnostic for a numerical simulation program - Proficiency in written and oral English to understand scientific literature, present scientific results at international conferences, and in scientific publications (relevant experience is not required). - Rigorous and analytical aptitude, accustomed to critical thinking, problem-solving, and efficient time management. - Ability or willingness to work effectively in a team and with diverse collaborators; - Ability to explain and summarize concepts and results to collaborators with diverse academic backgrounds. Additionally, the following skills and abilities will be considered a plus: - Basic knowledge of laser wakefield acceleration. - Basic knowledge of the dynamics of charged particle beams and particle accelerator physics (concepts of emittance, space charge, envelope equations for an electron beam). - Experience in using or developing a 'Particle in Cell' type code. - Experience with interface between different simulation codes. - Experience with version control software and collaborative development such as GitHub, GitLab, Mercurial.