Accélération d`électrons à l`aide d`impulsions laser ultrabrèves et

Accélération d’électrons à l’aide
d’impulsions laser ultrabrèves et fortement focalisées
Thèse
Vincent Marceau
Doctorat en physique
Philosophiæ doctor (Ph.D.)
Québec, Canada
© Vincent Marceau, 2015

Résumé
Lorsque fortement focalisées, les impulsions laser de haute puissance génèrent des champs électroma-
gnétiques d’amplitude gigantesque. Ces derniers peuvent être mis à profit pour accélérer des électrons
à une grande énergie sur une très courte distance. Les progrès récents dans le domaine des lasers de
haute puissance laissent ainsi entrevoir des perspectives excitantes dans le développement d’une nou-
velle génération d’accélérateurs laser qui seraient beaucoup plus compacts et moins dispendieux que
les accélérateurs d’électrons conventionnels.
Parmi les différents schémas d’accélération laser proposés, l’utilisation d’impulsions laser de polari-
sation radiale s’avère prometteuse. Cette méthode tire profit de la composante longitudinale du champ
électrique au centre d’un faisceau laser de type TM01 afin d’accélérer des électrons le long de l’axe op-
tique. L’objectif spécifique du projet de doctorat présenté dans cette thèse est d’étudier l’accélération
d’électrons par impulsions TM01 dans le régime des impulsions ultrabrèves et fortement focalisées.
Dans ces conditions extrêmes, les impulsions laser doivent impérativement être modélisées à l’aide de
solutions exactes aux équations de Maxwell.
Nous présentons d’abord une technique permettant d’obtenir une solution exacte sous forme fermée
aux équations de Maxwell pour décrire le champ électromagnétique de l’impulsion TM01. Cette so-
lution exacte nous permet de modéliser rigoureusement la dynamique en régime d’impulsions ultra-
brèves et fortement focalisées et d’en faire ressortir les caractéristiques intéressantes. Il est également
mis en évidence qu’une solution exacte pour le champ électromagnétique n’est pas seulement utile en
régime non paraxial, mais qu’elle est également nécessaire pour modéliser correctement la dynamique
dans des conditions de faible focalisation.
Une partie de cette thèse s’intéresse finalement à une application intéressante de l’accélération par im-
pulsions TM01 ultrabrèves et fortement focalisées, soit la production d’impulsions ultrabrèves d’élec-
trons sous-relativistes. À l’aide de simulations particle-in-cell, nous démontrons la possibilité d’ac-
célérer des impulsions d’électrons d’une durée de l’ordre de la femtoseconde à quelques centaines
de keV d’énergie lorsqu’une impulsion TM01 de quelques centaines de gigawatts est focalisée dans
un gaz de faible densité. Étant situées dans la fenêtre énergétique adéquate, ces impulsions d’élec-
trons pourraient permettre d’améliorer significativement la résolution temporelle dans les expériences
d’imagerie atomique et moléculaire par diffraction électronique ultrarapide.
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Abstract
When focused on a tiny spot, high-power laser pulses generate gigantic electromagnetic fields. Un-
der these strong field conditions, charged particles can be accelerated up to high energies over short
distances. Recent advances in high-power laser technology hint at exciting new possibilities in the de-
velopment of a new generation of laser-driven electron accelerators that are expected to offer a robust,
compact, and low-cost alternative to conventional linear accelerators.
Among the many proposed laser-driven acceleration schemes, the use of radially polarized laser pulses
is very promising. In this method, the electrons are accelerated along the optical axis by the strong
longitudinal electric field component at the center of a TM01 beam. The main objective of this thesis
is to investigate electron acceleration driven by TM01 pulses under ultrashort pulse and strong focus-
ing conditions. In this nonparaxial and ultrashort pulse regime, the laser pulses must be rigorously
modeled as exact solutions to Maxwell’s equations.
We first present the tools that are used to obtain an exact closed-form solution to Maxwell’s equations
for a TM01 pulse. This exact solution allows us to accurately model the acceleration process and to
highlight several interesting properties of the dynamics in the nonparaxial and ultrashort pulse regime.
It is also shown that an exact solution is not only useful to investigate electron acceleration under
nonparaxial conditions, but also necessary to correctly describe the dynamics in the weak focusing
limit.
A part of this thesis is also concerned with an interesting property of the acceleration driven by ul-
trashort and tightly focused TM01 pulses, namely the generation of ultrashort bunches of subrela-
tivistic electrons. Using particle-in-cell simulations, we demonstrate the possibility of generating
one-femtosecond electron pulses at few-hundred-keV energies when a few-hundred-GW TM01 pulse
is tightly focused in a low-density gas. Since they are located in the appropriate energy window, these
electron pulses could potentially lead to a significant improvement in the time resolution of atomic
and molecular imaging experiments based on ultrafast electron diffraction.
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