Studies of high repetition rate laser-produced plasma soft-x-ray amplifiers
Etudes d'amplificateurs plasma laser à haute cadence dans le domaine X-UV.
Abstract
The progress made as well on the Ti:Sa laser system, as in the control and the knowledge of laser produced XUV sources allowed the construction of a XUV laser station dedicated to the applications in the Université Paris XI. My thesis work falls under the development of this station and more particularly on the characterization of a XUV laser plasma amplifier.
The experimental study relates to the coupling improvement of the pump infra-red laser with plasma within the framework of the transient collisional XUV laser generation. These XUV lasers are generated in a plasma formed by the interaction of a solid target and a laser pulse of approximately 500 ps duration, followed by a second infra-red laser pulse known as of pump (~5 ps) impinging on the target in grazing incidence. For the first time, a complete parametric study was undertaken on the influence of the grazing angle on the pumping of the amplifying medium. One of the results was to reach very high peak brightness about 1 x 10^{28} ph/s/mm²/mrad²/(0.1% bandwidth), which compares well with the free electron laser brightness. Moreover, we modified then used a new two-dimensional hydrodynamic code with adaptive mesh refinement in order to understand the influence of the space-time properties of the infra-red laser on the formation and the evolution of the amplifying plasma. Our modelings highlighted the interest to use a super Gaussian transverse profile for the line focus leading to an increase in a factor two of the gain region size and a reduction of the electron density gradient by three orders of magnitude. These improvements should strongly increase the energy contained in XUV laser beam.
The knowledge improvement of materials physic or biomolecules behaviour will benefit from the tool that the XUV laser radiation field is on the way to become. We thus used XUV laser to study the appearance of transient defects produced by a laser IR on a beam-splitter rear side. We also began research on the mechanisms of DNA damage induced by a very intense XUV radiation.
The experimental study relates to the coupling improvement of the pump infra-red laser with plasma within the framework of the transient collisional XUV laser generation. These XUV lasers are generated in a plasma formed by the interaction of a solid target and a laser pulse of approximately 500 ps duration, followed by a second infra-red laser pulse known as of pump (~5 ps) impinging on the target in grazing incidence. For the first time, a complete parametric study was undertaken on the influence of the grazing angle on the pumping of the amplifying medium. One of the results was to reach very high peak brightness about 1 x 10^{28} ph/s/mm²/mrad²/(0.1% bandwidth), which compares well with the free electron laser brightness. Moreover, we modified then used a new two-dimensional hydrodynamic code with adaptive mesh refinement in order to understand the influence of the space-time properties of the infra-red laser on the formation and the evolution of the amplifying plasma. Our modelings highlighted the interest to use a super Gaussian transverse profile for the line focus leading to an increase in a factor two of the gain region size and a reduction of the electron density gradient by three orders of magnitude. These improvements should strongly increase the energy contained in XUV laser beam.
The knowledge improvement of materials physic or biomolecules behaviour will benefit from the tool that the XUV laser radiation field is on the way to become. We thus used XUV laser to study the appearance of transient defects produced by a laser IR on a beam-splitter rear side. We also began research on the mechanisms of DNA damage induced by a very intense XUV radiation.
Les progrès réalisés tant sur les chaînes laser infrarouges, que dans la maîtrise et la compréhension des sources X-UV pompées par laser ont permis la construction d'une station laser X-UV dédiée aux applications à l'Université Paris XI. Mon travail de thèse s'inscrit dans le développement de cette station et plus particulièrement sur la caractérisation d'un amplificateur plasma laser X-UV.
L'étude expérimentale concerne l'amélioration du couplage du laser infrarouge de pompe avec le plasma dans le cadre de la génération d'un laser X-UV en régime collisionnel transitoire. Ces lasers X-UV sont générés dans un plasma formé par l'interaction d'une cible solide et d'une impulsion laser d'environ 500 ps de durée, suivie d'une seconde impulsion laser infrarouge dite de pompe (~5ps) arrivant sur la cible en incidence rasante. Pour la première fois, une étude paramétrique complète a été entreprise sur l'influence de l'angle de rasance sur la création du milieu amplificateur. Un des résultats de cette étude a été d'atteindre des brillances pics très élevées de l'ordre de 1 x 10^{28} photons/s/mm²/mrad²/(0.1%bandwidth), comparables aux brillances des lasers à électron libres. De plus, nous avons modifié puis utilisé un nouveau code hydrodynamique bidimensionnel eulérien à mailles raffinées dynamiquement au cours du temps (AMR) afin de comprendre l'influence des propriétés spatio-temporelles du laser infrarouge sur la formation et l'évolution du plasma amplificateur. Nos modélisations ont mis en évidence l'intérêt d'utiliser un profil super gaussien pour la ligne focale produisant une augmentation d'un facteur deux de la dimension de la zone de gain et une réduction des gradients de densité de
trois ordres de grandeur. Ces améliorations devraient accroître fortement l'énergie contenue dans le faisceau laser X-UV.
L'amélioration de la connaissance de la physique des matériaux ou des biomolécules tirera profit de l'outil que le rayonnement laser dans le domaine X-UV est en passe de devenir. Nous avons ainsi utilisé le laser X-UV pour étudier l'apparition de défauts transitoires produits par un laser IR en face arrière d'un miroir. Nous avons aussi débuté des recherches sur les mécanismes d'endommagement de l'ADN lors de son irradiation par un rayonnement X-UV très intense.
L'étude expérimentale concerne l'amélioration du couplage du laser infrarouge de pompe avec le plasma dans le cadre de la génération d'un laser X-UV en régime collisionnel transitoire. Ces lasers X-UV sont générés dans un plasma formé par l'interaction d'une cible solide et d'une impulsion laser d'environ 500 ps de durée, suivie d'une seconde impulsion laser infrarouge dite de pompe (~5ps) arrivant sur la cible en incidence rasante. Pour la première fois, une étude paramétrique complète a été entreprise sur l'influence de l'angle de rasance sur la création du milieu amplificateur. Un des résultats de cette étude a été d'atteindre des brillances pics très élevées de l'ordre de 1 x 10^{28} photons/s/mm²/mrad²/(0.1%bandwidth), comparables aux brillances des lasers à électron libres. De plus, nous avons modifié puis utilisé un nouveau code hydrodynamique bidimensionnel eulérien à mailles raffinées dynamiquement au cours du temps (AMR) afin de comprendre l'influence des propriétés spatio-temporelles du laser infrarouge sur la formation et l'évolution du plasma amplificateur. Nos modélisations ont mis en évidence l'intérêt d'utiliser un profil super gaussien pour la ligne focale produisant une augmentation d'un facteur deux de la dimension de la zone de gain et une réduction des gradients de densité de
trois ordres de grandeur. Ces améliorations devraient accroître fortement l'énergie contenue dans le faisceau laser X-UV.
L'amélioration de la connaissance de la physique des matériaux ou des biomolécules tirera profit de l'outil que le rayonnement laser dans le domaine X-UV est en passe de devenir. Nous avons ainsi utilisé le laser X-UV pour étudier l'apparition de défauts transitoires produits par un laser IR en face arrière d'un miroir. Nous avons aussi débuté des recherches sur les mécanismes d'endommagement de l'ADN lors de son irradiation par un rayonnement X-UV très intense.
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