EXPERIMENTAL STUDY OF X-RAY EMISSION IN LASER-CLUSTER INTERACTION

ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DE L'ÉMISSION X ISSUE DE L'INTERACTION LASER-AGRÉGATS

Tony Caillaud (1)

1 CELIA - Centre d'Etudes Lasers Intenses et Applications

Rare gas cluster jets are an intermediate medium between solid and gas targets. Laser-cluster jets interaction may generate a great number of energetic particles as X-rays, UV, high harmonics, ions, electrons and neutrons. To understand all the mechanisms involved in such an interaction we need to make a complete study of individual cluster response to an ultra-short laser pulse. We studied the laser interaction with our Argon cluster gas jet, which is well characterized in cluster size and density, to enlarge the knowledge of this interaction. We measured absorption, heating and X-ray emission spectra versus laser parameters and clusters size (~15-30 nm). We show that there is a strong refraction effect on laser propagation due to the residual gas density. This effect was confirmed by laser propagation simulation with a cylindrical 2D particle code WAKE. The role played by refraction was to limit maximum laser intensity on the focal spot and to increase interaction volume. By this way, X-ray emission was observed with laser intensity not so far from the ionization threshold (few 10$^14$ W.cm$^-2$). We also studied plasma expansion both at cluster scale and focal volume scale and deduced the deposited energy distribution as a function of time. Thanks to a simple hydrodynamic model, we used these results to study cluster expansion. X-ray emission is then simulated by TRANSPEC code in order to reproduce X-ray spectra and duration. Those results revealed an extremely brief X-ray emission consistent with a preliminary measure by streak camera (on ps scale).

Ce travail de thèse a consisté en l'étude et l'optimisation d'une source ultra-brève de rayonnement X dans la gamme multi-keV, issue de l'interaction d'un laser intense avec un jet d'agrégats d'Argon. Nous avons porté un intérêt tout particulier sur la caractérisation du jet d'agrégats d'Argon employé lors des expériences (densité totale, densité et taille moyenne des agrégats). L'étude de la propagation de l'impulsion laser dans le jet dense d'agrégats a révélé l'existence d'un effet lié à la réfraction dans le jet. L'absorption, le chauffage et les spectres d'émission X ont été étudiés en fonction des paramètres du laser femtoseconde (durée et énergie de l'impulsion laser, contraste temporel) et de la taille des agrégats (20 à 35 nm), dans le but d'optimiser la source de rayonnement X,. L'absorption et 'émission X présentent un optimum avec la durée laser consistant avec un modèle existant. Le contraste s'est avéré un paramètre crucial pour la production de rayonnement X. Un rendement énergétique très intéressant a été obtenu : 12 nJ de rayonnement X émis autour de 3 keV, pour 3 mJ d'énergie laser incidente. L'analyse de l'énergie moyenne déposée par agrégat est associée à une modélisation simple de l'expansion hydrodynamique de l'agrégat. Un code de physique atomique est utilisé pour tenter de reconstruire les spectres et pour analyser l'aspect temporel de la source X. La comparaison de ces calculs avec une expérience préliminaire montre une durée ultra-brève de l'émission X (de l'ordre de la ps).

Mots clés: clusters; X-rays; laser; agrégats; rayons X; propagation.

Mots clés: propagation

Domaines: Physique Atomique [physics.atom-ph]

Tony Caillaud. ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DE L'ÉMISSION X ISSUE DE L'INTERACTION LASER-AGRÉGATS. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Sciences et Technologies - Bordeaux I, 2004. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00008470⟩