Séminaire de physique sur les effets relativistes dans les interactions de plasma laser à haute intensité

Ce séminaire a été présenté par David Stark, du laboratoire national de Los Alamos, et a abordé certains des aspects les plus inhabituels des effets relativistes dans les systèmes laser-plasma.

Qui est le Dr David Stark?

Le Dr David Stark a travaillé avec mon professeur de physique, le Dr Chinmoy Bhattacharjee, à l'époque où ils étaient tous les deux diplômés de l'université du Texas † à Austin. Pendant leur séjour à l’Université Austin, le Dr Stark a travaillé sur les interactions laser-plasma, tandis que mon professeur a travaillé sur l’astrophysique des plasmas. Stark a travaillé sur divers domaines de la physique, dont l'astronomie, le plasma quantique et les interactions laser-plasma. Il a également collaboré avec mon professeur aux plasmas relativistes généraux proches des objets compacts.

Le Dr Stark est actuellement chercheur scientifique au laboratoire national Los Alamos, au Nouveau-Mexique. Il a construit sa carrière de recherche autour de l’étude des plasmas dans une multitude de systèmes exotiques. Au début de ses études, il a modélisé des phénomènes astrophysiques à haute énergie, tels que les jets AGN, l’éruption Eta Carinae, ce qui l’a poussé à faire ses études supérieures en physique des plasmas. Diplômé du Département de l'énergie de l'UT Austin, il a axé sa thèse sur les interactions laser-plasma à haute intensité, en se concentrant sur les effets relativistes pouvant être exploités pour les applications optiques et la génération de radiations. Après avoir obtenu son diplôme, il a effectué un post-doctorat au Laboratoire national de Los Alamos, où il a étudié l'accélération des ions laser avant d'y occuper un poste permanent. Il poursuit ses travaux sur les interactions laser-plasma, principalement sur les instabilités pouvant affecter les systèmes de fusion par confinement inertiel (ICF).

Contexte et motivation

Il y a environ 60 ans, la technologie laser a véritablement pris son envol, ce qui a permis à la communauté des physiciens de travailler avec une physique auparavant inaccessible et de créer de nouvelles applications technologiques.

Le graphique suivant couvre plusieurs décennies et décrit l'intensité d'un laser, en watts par centimètre carré. Nous voyons en particulier comment le développement de l’amplification par impulsions à modulation (ACP) en 1985 a permis une croissance très rapide.

Nous sommes en mesure de passer par différents régimes, allant même jusqu'à une intensité de 10 ^ (20), ce qui est le point où les électrons peuvent accélérer à une vitesse proche de celle de la lumière à l'aide de lasers. L'estimation de la progression peut sembler un peu optimiste, mais nous sommes actuellement capables de produire des lasers avec une intensité focalisée comprise entre 10 ^ (22) et 10 ^ (23), et une fois dépassés, nous pouvons commencer à voir des effets 3D et tous. sortes d'effets quantiques.

C'est encore une projection passionnante de ce qui pourrait arriver en physique des lasers. Plus précisément, ils l'utilisent pour étudier les interactions laser-plasma, où les lasers ionisent très rapidement des cibles et créent des plasmas. Il y a ensuite ces particules chargées dans des champs électromagnétiques très puissants, ce qui crée un problème très complexe. Cependant, il peut être utilisé pour créer des sources de rayonnement ou pour redistribuer l'énergie éventuellement même pour la production à deux un jour.

Applications

Certaines des applications qui émergent en étudiant la physique fondamentale de ces interactions:

  • Astrophysique de laboratoire
  • Allumage rapide ionique: Los Alamos travaille beaucoup sur la fusion par confinement inertiel, qui consiste essentiellement à utiliser des lasers pour comprimer des poulets de plasma dans le but de réaliser une fusion nucléaire.
  • Applications du faisceau ionique: thérapie par hadrons, qui a des buts médicaux
  • Production de rayons X et gamma: générée par les électrons super relativistes générés par ces interactions

Simulations et théorie à l'aide d'outils particule-cellule

Comme il s’agit essentiellement d’un problème E & M très complexe, la communauté des physiciens a largement adopté ces codes particule dans cellule, qui sont le principal outil de travail utilisé pour effectuer les simulations et la modélisation expérimentale. Ce sont des codes cinétiques. Ils ont donc et suivent des millions et des milliards de macroparticules sur un domaine spatial, et chaque macroparticule correspond à un certain nombre de particules réelles. Et plus vous avez de macro-particules, plus la simulation est réaliste, mieux vous pourrez échantillonner une fonction de distribution, etc.

Transparence relativiste

La propagation de la lumière dans un plasma est généralement contrainte par une relation de dispersion, qui est une relation entre la fréquence et le vecteur d'onde. Il existe donc un seuil critique pour une cible de densité donnée de n_critique ou inférieure. Cela signifie que seules certaines fréquences peuvent se propager à travers cette cible, et si la fréquence est suffisamment élevée, elle peut pénétrer à travers, mais si la fréquence est suffisamment basse, elle est reflétée.

Par exemple, dans une interaction laser-plasma qui chauffe beaucoup de ces cibles, la première partie de l’impulsion vient frapper la cible, puis est reflétée car elle est trop dense, car la cible se réchauffe et s’étend. , la cible finit par devenir transparente et l’arrière de l’impulsion laser est transmise, et nous voyons donc qu’elle devient sous-dense.

Maintenant, ce qui se passe réellement dans une interaction relativiste laser-plasma, c’est que plus la particule devient chargée de façon relativiste, plus elle se rapproche de la vitesse de la lumière et plus son facteur de Lorentz, gamma, est supérieur à 1.

La fréquence du plasma est donc réduite artificiellement par ce facteur gamma. Cela signifie que la fréquence critique devient plus petite. Les fréquences initialement reflétées peuvent maintenant devenir transparentes. Cela peut donc devenir vraiment appréciable pour le rejet de fréquence critique dans un système très hautement relativiste. C’est un phénomène de transparence relativiste et il s’agit essentiellement d’une pondération de masse relativiste qui supprime la fréquence critique.

Cette description est uniquement basée sur une masse relativiste, ce qui signifie que la manière dont l’énergie est distribuée dans le plasma n’a aucune importance.

Ils cherchaient donc à répondre à la question: que se passera-t-il s'il existe une anisotropie thermique relativiste dans le système?

En gros, qu’en est-il s’il fait plus chaud dans la direction perpendiculaire plutôt que dans la direction parallèle?

Pour prouver leur principe, ils ont pris une impulsion laser à polarisation circulaire et l’incidèrent sur une plaque de plasma. La plaque de plasma a ensuite été pré-initialisée avec une fonction de distribution relativiste avec anisotropie intégrée à la fonction de distribution.

La simulation a abouti à des projections le long du fond, avec deux polarisations linéaires. L'impulsion polarisée de manière circulaire a donc deux composantes linéaires. Et nous pouvons voir que ce qui est réellement transmis par l’arrière de la cible n’est en réalité qu’une des polarisations du bas. La majeure partie de l'impulsion se reflète parce que nous sommes dans le régime intermédiaire de criticité. Mais nous voyons aussi que nous pouvons obtenir une polarisation préférentielle d'une impulsion polarisée de manière circulaire se transformant en impulsion polarisée de manière linéaire après avoir interagi avec la cible.

Cela suggère que la description de la pondération de masse relativiste ne peut pas être toute l’histoire, car cela prédirait le même seuil critique pour toutes les polarisations différentes. Ceci suggère qu'il existe un seuil critique dépendant de la polarisation dans le plasma.

Ils ont ensuite adopté, dans les simulations en vedette, une fonction de distribution relativiste maxwellienne modifiée. Cependant, ils ont incorporé un facteur d'anisotropie via epsilon. Donc, quand epsilon vaut zéro, il s’agit d’une fonction de distribution maxwellienne relativiste parfaitement standard, mais ce paramètre a été peaufiné pour comprendre ce qui se passe quand il ya anisotropie thermique.

Ils sont capables d’obtenir l’analyse cinétique linéaire de la distribution des relations de dispersion puis de calculer les fréquences critiques.

Chaque fréquence critique partage le même facteur isotrope, qui découle de la pondération massique relativiste standard, mais elles diffèrent du fait que l'une d'entre elles est réduite de beaucoup plus.

Il existe donc un facteur de correction d'anisotropie différent en fonction de la polarisation. Cela nous indique que la fréquence critique est différente entre les deux polarisations et que, dans le cas de polarisation y, où elle est plus basse, cela signifie qu'il existe une plus grande transparence qui peut être prédite de manière analytique quand une onde polarisée le long d'un degré de liberté plus élevé est atteinte. un plasma.

Ils ont ensuite inversé le processus de polarisation et envoyé une impulsion à polarisation linéaire. Comme ils se propagent différemment à chaque polarisation, ils ont pu obtenir une impulsion à polarisation circulaire à partir du côté arrière. En effet, les différentes vitesses de phase de chaque polarisation sont décalées.

Le Dr Stark a fait la même chose avec un système non relativiste en rendant les choses beaucoup plus froides et en conservant le même facteur d’anisotropie. Les résultats ont montré qu’il ne s’agissait tout simplement pas d’un effet d’anisotropie, mais qu’il était également relativiste.

C'est potentiellement une nouvelle façon d'utiliser les diagnostics dans les interactions laser-plasma pour caractériser l'état du plasma et également utiliser le plasma lui-même pour de nouveaux dispositifs optiques potentiels.

Ceci est une partie du travail que le Dr Stark a fait au cours de sa thèse.

Accélération Ion Laser

Comment les ions accélèrent-ils lorsqu'un incident laser de haute intensité touche une cible? Surtout quand la cible devient transparente au laser.

Contexte

Lorsque vous essayez de transférer toute cette énergie laser, vous obtenez éventuellement une population d’ions, et les électrons sont donc utilisés comme intermédiaires. L’un des mécanismes les plus courants est celui de l’accélération de la gaine normale de cible (TNSA), qui provoque un incident laser sur une cible de plasma, qui est trop dense. Ce n’est pas transparent, c’est juste frapper le devant de la cible. Le laser chauffe l'électron à l'avant de la cible, qui est ensuite accélérée à l'arrière de la cible où ils ont installé cette cathode virtuelle très puissante. Il existe donc un champ très puissant provoqué par ces électrons chargés à l'arrière. de la cible, puis ceux-ci accélèrent les ions de la couche arrière.

C’est l’un des mécanismes les plus connus de l’accélération des ions laser; il accélère toujours normalement à la cible. Cependant, il existe de nombreux autres mécanismes d'accélération des ions qui ont été discutés et découverts, mais il y a peu de consensus sur les mécanismes d'accélération dominants, dans quelles conditions, quel type d'énergies vous pouvez atteindre, et ainsi de suite. Le Dr Stark a étudié les mécanismes d’accélération des ions en particulier, en particulier lorsqu’ils sont soumis à un régime accéléré, lorsque le laser est autorisé à pénétrer dans la cible.

Ils ont exécuté une simulation 3D du laser pénétrant dans la cible. La réflexion à grande échelle a commencé au début, mais ensuite, le plasma chauffait, lui permettant de s’étendre, mais aussi de le rendre relativiste pour qu’il devienne transparent par la suite.

Dans les simulations particule-dans-cellule, ils ont étiqueté beaucoup de particules. Donc, ils ont une impulsion laser qui arrive sur la cible, mais ils ont marqué des ions spécifiques pour surveiller leur emplacement et leur énergie afin qu’ils puissent comprendre leur dynamique.

Sommaire

Sujets abordés:

  • Codes de particules dans les cellules
  • Transparence relativiste
  • Anisotropie Thermique
  • Accélération Ion Laser

Sources

Dr. David Stark Bio + Image: Université Rutgers - Département de physique de Newark

D.J. Stark, L. Yin, B.J. Albright et F. Guo, Institut américain de physique: Physics of Plasmas (2017).

«Histoire de l'intensité du laser». Image numérique. Wikipedia.org. https://en.wikipedia.org/wiki/Laser#/media/File:History_of_laser_intensity.svg