Accélération d`électrons par champ direct

Université du Québec
Institut National de la Recherche Scientifique
Centre Énergie Matériaux Télécommunication
Accélération d’électrons par champ direct
Par
Amélie Lachapelle
Mémoire présentée pour l’obtention du grade de
Maître ès sciences (M.Sc.)
en sciences de l’énergie et des matériaux
Jury d’évaluation
Président du jury et François Martin
examinateur interne INRS-EMT
Examinateur externe Michel Piché
Département de physique, de génie physique
et d'optique
Université Laval
Directeur de recherche Jean-Claude Kieffer
INRS-EMT
Juin 2015
© Droits réservés de Amélie Lachapelle, 2015

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REMERCIEMENTS
Pour commencer, je remercie mon directeur de recherche Prof. Jean-Claude Kieffer de m’avoir
intégré au sein de son groupe et du support apporté lors de la réalisation de mes travaux. Il m’a
permis d’évoluer dans un milieu de recherche stimulant auprès de collaborateurs. Ainsi, j’ai pu
atteindre mes objectifs. À ces remerciements, je dois ajouter aussi le Prof. Steve MacLean pour sa
contribution au projet ainsi que pour sa supervision tout au long du déroulement de ma maîtrise.
Je tiens à remercier Sylvain Fourmaux, Ph. D. et Stéphane Payeurs ainsi que Kazuto Otani, Ph. D.
d’avoir contribué au design du montage, au déroulement des expériences et aux discussions
entourant les résultats obtenus. Ils m’ont aussi aidé pour le traitement des résultats.
Je dois aussi remercier le groupe de Prof. Michel Piché de l’Université Laval et Charles Varin
Ph. D. de l’Université d’Ottawa pour avoir développé la théorie de l’accélération par champ direct.
Leurs travaux ont fondé les bases de nos travaux expérimentaux. Aussi, leur modèle théorique a
permis de comparer nos résultats et d’alimenter la réflexion autour de ces résultats.
Je remercie Catherine Lefebvre, Ph. D. d’avoir révisé mon mémoire plus d’une fois tout en me
guidant dans sa révision. Ainsi, j’ai pu profiter de la rédaction de ce mémoire pour améliorer mes
aptitudes en rédaction de texte ce qui m’a permis, je l’espère, de rendre ce texte plus agréable à
lire.
Je tiens à remercier toutes les personnes qui ont participé de près où de loin à l’avancement de ce
projet et à la réalisation de mes objectifs. Merci à Joël Maltais, Léonard Pelletier et Guy Lebrun
pour le soutien technique apporté lors des séances expérimentales. Merci à François Fillion, Ph. D.,
Denis Chagnon, Ph. D., Joey Dumont, Marc Glesser et Arpit Saraf pour leur aide apporté à un
moment lors de mon cheminement.
Pour terminer, je tiens à remercier ma famille et Mathieu Lavallée pour leur soutien moral et pour
les encouragements qu’ils m’ont apportés tout au long de mes études.

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RÉSUMÉ
Les paquets d’électrons d’énergie élevée sont utilisés dans des techniques de type pompe-sonde
pour sonder des évènements ultrarapides tels que la transition de phase dans un solide par
diffraction d’électrons. Pour sonder des évènements ultrarapides, les paquets d’électrons doivent
être de courte durée. Jusqu’à maintenant, les plus courts faisceaux d’électrons, produits et mesurés,
ont une durée de l’ordre de la femtoseconde. On suggère d’utiliser l’accélération d’électrons par
champ direct du laser. Théoriquement, dans un régime d’accélération ultra-relativiste, il a été prédit
que des faisceaux d’électrons accélérés par champ direct pourraient atteindre une durée de
quelques dizaines d’attosecondes, ils seraient quasi monoénergétiques et l’énergie des électrons
pourrait atteindre l’ordre du GeV. Pour obtenir ces caractéristiques, un faisceau laser de mode
TM01 avec une intensité supérieure à  W/cm2 doit être fortement focalisé. Ainsi, il y a un
champ électrique longitudinal qui est généré et avec lequel les électrons sont accélérés. Dans ce
mémoire, pour atteindre le régime ultra-relativiste, on a exploré à haute intensité laser le
mécanisme d’accélération par champ direct. Pour ce faire, nous avons adapté le montage expéri-
mental avec lequel le principe de l’accélération par champ direct a été démontré à l’INRS à faible
intensité laser. Une analyse critique de la méthodologie et des outils est réalisée afin de s’assurer
que les conditions expérimentales sont adéquates. Notamment, la distorsion du front d’onde
induite par les effets non linéaires lors de la propagation du laser est évaluée par l’intégrale B.
On a démontré l’augmentation de l’efficacité de l’accélération par champ longitudinal qui est
responsable de l’accélération par champ direct. On a aussi démontré que ce champ est essentielle-
ment responsable des électrons énergétiques (0.3 à 2.5 MeV). À une intensité de  W/cm2, le
signal des électrons accélérés avec un laser de mode TM01 (présence de champ longitudinal) est
3.5 fois plus grand que lorsque’un laser de mode TE01 (absence de champ longitudinal) est utilisé.
Lorsque l’intensité augmente, on a observé une compétition entre les différents mécanismes
d’accélération qui sont présents dans le grand volume ionisé et qui contribuent au signal.
Des solutions sont proposées et analysées pour améliorer la qualité des paquets d'électrons générés
telles que fixer la phase de l’onde porteuse et optimiser les paramètres de focalisation du laser.
Mots-clés : mode TM01, polarisation radiale, accélération d’électrons, faisceaux d’électrons,
champ électrique longitudinal, régime d’accélération ultra-relativiste.