ondes de surface dans l`interaction laser-matiere

EFFETS PONDEROMOTEURS DANS
L’EXCITATION PAR LASER ULTRA-COURT
D’ONDES DE SURFACE DANS UN METAL
Michèle Raynaud
DSM/IRAMIS/LSI, CEA-CNRS-Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau
Collaborations:
Ghita Geoffroy(1), P. Martin(1), Hervé Jouin(1), Guillaume Duchateau(2)
(1) CELIA, Université Bordeaux 1, 43 rue P. Noailles, 33405 Talence
(2) CEA, Centre d’étude du Ripault, BP16, 37260 Monts
Ondes de surface dans un métal plan:
♦ Oscillations collectives HF
x
♦ induitent par la discontinuité de densité électronique
♦ se propagent le long de l’interface métal-vide
métal
♦ champ électrique: intense, évanescent et localisé
♦ Modes propres d’oscillation à la fréquence sp:

2
k sp2 c 2 sp2  sp2   pe
 2
2
sp
2
  pe

z
k
/c
2
avec  pe
 4 ne e 2 m
Pas d’excitation laser directe …
… Excitation via une surface modulée périodiquement :
a,  choisi  condition de résonnance satisfaite pour i =R
ksp

Effets pondéromoteurs:
Mouvement d’un électron dans un champ:
E cost    exp kz
Inhomogène
spatialement
HF
2 échelles de temps: Mvt rapide oscillations HF – Mvt de dérive lent
z  zhf  zl
avec zl  z
t
et
E z  E z    vl
m d 2 zhf dt 2  eEzl  cost   
m d 2 zl dt 2   U p 
avec U p  e 2 E 2 zl  4m 2
 l’électron est accéléré de la zone de fort champ vers une zone de
champ plus faible
 conversion Eosc en Ecin
avec Up  I 2
Cas de l’interaction laser solide:
Ilaser=109W/cm2 et =800nm : expérience de photoémission dans les solides
Up  6 10-5 eV !
Energie des électrons photo-ionisés en présence de l’onde de surface:
x
Laser, incidence oblique  et polar p :
h=1.55 eV (=800nm, =2.3 1015 rad/s)
Métal
Effet Photo-électrique multiphotonique (4 photons) :
En= nh - W s = 4 x 1.55 – 5.1  1 eV
Or
VIDE
z
Ext. Spatiale  600nm
Esp = Chp
inhomogène HF // z
Esp  100 EL en régime fs  Usp=0.6 eV
accélération des électrons par effets
pondéromoteurs du champ de l’onde de surface
Aspect temporel:  Le gain en énergie dépend du temps de vie du plasmon,
Régime d’interaction laser fs: sp~ laser  Le gain en énergie dépendra de laser et IL
L~ 100fs : exploration partielle du gradient de Ez  faible gain d’énergie
L~ 600fs : exploration totale du gradient de Ez  conversion complète  gain = Usp
sp
Résolution numérique du mouvement d’une particule test dans un champ
qui modélise l’onde de surface , modèle 1D:
m d 2 z dt 2  e E sp z, t  cos t   
où

E sp z, t    E L exp z   exp  12 t 2  L2
Energie cinétique d’un électron test
en fonction du temps (vitesse initiale nulle):
Ec
(eV)
L=1000fs
Phase favorable:
φ=π/2
=800 nm
IL=109W/cm2
1.5 eV
φ=π
temps
EC final >> Usp ?
=100
 Usp=0.6 eV
=650 nm

 Effet de la phase initiale  de Esp à l’instant de la photo-émission:
Fsp > 0
L’électron photoémis subit
initialement une force qui l’accélère
Esp(z,0) cos(φ)
φ
Fsp < 0
L’électron photoémis subit initialement
une force qui le décélère
Fsp = -(e/m) Esp(x,0) cos(φ)
 Ec,final= Usp + 2Usp(vi/vosc-cos φ )2
Gain d’énergie max: Umax = 3 Usp + 23/2 ( En Usp )1/2 >> Usp , En= nh - Ws
Cas précédent : Usp= 0.6 eV , En =0  Umax ~ 1.8 eV  accord avec la simulation
Cas de la photoionisation de l’Or : Usp= 0.6 eV , En = 4x1.55–5.1  1 eV
 Umax ~ 4 eV !
 élargissement important du spectre en énergie du à l’effet de phase initiale
 Exploration expérimentale de l’effet en faisant varier L
Etude expérimentale de l’accélération des photoélectrons émis en présence
d’une onde de surface: cas d’un réseau d’or
(laser LUCA, 2 109W/cm2, 800nm, i= R= 66°, mesure TOF)
laser 
signal électronique (unité arbitraire)
0,30
à intensité laser constante:
60 fs
200 fs
400 fs
600 fs
800 fs
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
-0,05
0
10
20
30
40
50
énergie (eV)
le spectre se déplace: effet pondéromoteur
conversion complète à 800fs  Usp = Emin-En  7eV  Esp  300 EL
et s’élargit,  15 eV: effet de phase initiale
J. Kupersztych, P. Monchicourt and M. Raynaud, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 5180; J. Kupersztych and M. Raynaud, Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 147401
Etude expérimentale de l’accélération des photoélectrons émis en présence
d’une onde de surface: cas d’un réseau d’or
(laser LUCA, 2 109W/cm2, 800nm, i= R= 66°, mesure TOF)
Cas de durée plus longue, 800 à 1600 fs:
signal électronique (unité arbitaire)
0,30
800 fs
1000 fs
1200 fs
1600 fs
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
-0,05
0
10
20
30
40
50
énergie (eV)
les collisions électrons-phonons commencent à amortir le plasmon de surface
Esp  Usp  … gain d’énergie plus faible
Autres effets possibles ?
x
Effet pondéromoteur dans le métal  modification transitoire
métal
de la distribution de Fermi
z
Etude de la dynamique de relaxation du gaz d’électrons en présence
d’une onde de surface  mesures pompe-sonde à 2 couleurs:
1ère étude: 800nm + 266nm, 50fs  Laser LUCA CEA/Saclay
266 nm
3ω
λ/2
800 nm
Time delay line
Compressor
Gold grating
target
Lens
Magnetically-shielded
high vacuum
(10-8 mbar) chamber
λ/2
Lens
Time-of-flight
spectrometer
 le laser « pompe »  excite l’onde de
surface à 800 nm
 crée une population d’électrons chauds
hors d’équilibre
 le laser à 266 nm (h=4.7eV, i= 70°)
 sonde cette population d’électrons
 en fonction du délai temporel entre les
deux impulsions
Excitation de l’onde de surface avec le 800nm (~1010W/cm2, 60fs):
-0.02
 Estimation du potentiel pondéromoteur:
Ecmin = Usp + En ~ 14.5 eV  Usp = 13.4 eV
800 V
800 H
-0.015
Ecmin
J (mV)
-0.01
Ecmax
 Energie cinétique maximale attendue:
Ecmax = 3Usp + 22/3 (En Usp)1/2 = 51 eV
-0.005
0
 Valeur expérimentale ~48 eV
0.005
0
10
20
30
40
50
60
Ec (eV)
Energie
Emission électronique en présence de l’onde de surface à 800 et 266nm:
-0.02
800nm
-0.015
delay=123fs
-0.01
j (mV)
delay=0
E’cmax
-0.005
266nm
0
20
E’cmax spectre = 68 eV
 e- avec En plus grand
 l’excitation d’un SP modifie la fonction de
distribution du gaz d’électron dans le solide
0.005
0
∆t=0: e- photo-ionisés avec 266nm
-> En=4.2 eV (Ws-2hν).
interaction avec le champ de l’onde de surface:
Ecmax =3Usp + 22/3 (En Usp)1/2 = 61 eV
40
Energie
Ec (eV)
60
80
Pour aller plus loin :
Expériences pompe-sonde
800nm + 266nm:
- en variant IL
- pour différentes
L
coll. G. Geoffroy, CELIA
Modélisation:
Problématique: photoémission en présence
d’une onde de surface excitée par laser
ultra-court
- modéliser le spectre
de photoémission ‘initial’  TDSE
- modéliser le champ de l’onde de surface
- modéliser les modifications du spectre
dues aux effets pondéromoteurs
coll. H. Jouin et G. Duchateau, CELIA
 Autres expériences de photoémission à 2 couleurs :
Ws
Ef
800nm
4x1.55eV 266nm
2x4.7eV
Harmonique
> 20 eV
- Sonde une plus grande part de la distribution de Fermi
- En plus grand -> Ecmax = 3Usp + 22/3 (En Usp)1/2 plus grand
 but: mesure directe de la modification de la distribution de
Fermi en présence de l’excitation SP
A plus haute intensité laser… 1018W/cm2
et pour des durées d’impulsion ultra courtes < 100fs
Création d’un plasma chaud, surdense et à gradient raide
 créer des électrons chauds dans un plasma surdense par excitation
d’une onde plasma de surface
Etude numérique du mouvement relativiste 1D d’un électron test dans
le champ évanescent de l’onde plasma de surface:
2 IL 2 = 1020Wµm2/cm2, ( = 10), γosc=8.6, L= 100fs, Te = 100eV et ne = 25nc
Impulsion finale de l’électron en fonction de la phase d’entrée:
 Extrema très plats  paquets d’électrons
9
 Phase la plus favorable:
 pf /mc ~ 8.5  Ec-max ~ 4MeV
8
7
pf / mc
6
 Mécanisme d’accélération important
5
 phase « défavorable » : Ec-min ~ 1MeV
4
3
1
3,0
(3)
(1)
2
(2)
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
f Phys. Plasma 11, 1669 (2004)
J. Kupersztych, M. Raynaud et C. Riconda,
2ième Approche: Simulations PIC 2D (code EMI2D J.C. Adam et A. Héron)
ne/nc=25 , vthe =1KeV, I02=1018Wµm2/cm2, 60 fs
Pour exciter l’onde plasma de surface  introduction d’une modulation
sinusoïdale initiale de la surface du plasma
La relation de dispersion et les conditions de résonance sont satisfaites par
le choix du pas de la modulation a~0 et de l’angle d’incidence  ~31°
Alors : ksp= (24/23)1/2 k0 et x,sp~ 0= x0sin = x0/2
d=0/2
x
Eo
Si l’onde de surface est excitée,
suivant x on doit trouver 6 périodes
d’onde de surface, car on a par
construction 3 périodes d’onde laser
plasma
70
60
 ~31°
ko
A noter que dans toutes les
simulations présentées les ions sont
mobiles
400
z
M. Raynaud, J. Kupersztych, C. Riconda, J.C. Adam et A. Heron, Phys. Plasma 14, 92702 (2007)
Champ  Ez à t=4380-1 ( = max de l’impulsion sur la surface):
En présence de l’onde de surface:
Sans onde de surface:
suivant y : 3 x0 et 6 sp
vide
plasma
Surface modulée
 Peu de Réflexion
 présence d’un E > Elaser
à la surface du plasma
vide
plasma
Surface plane
 Réflexion importante du
champ laser sur la surface
Champ  Ez en présence de l’onde de surface en fonction du temps:
0t=438
vide
0t+
plasma
Surface modulée
0t+2
vide
plasma
Surface modulée
Champ oscillant à 0
Onde de surface créée !
vide
plasma
Surface modulée
Fonction de distribution de l’énergie des électrons:
t=4380-1
sp
Ec ~ 0.9 MeV
Ec ~ 2.3 MeV
Mécanisme qui permet de créer un grand nombre d’électrons chauds
Sans onde plasma de surface  absorption en fin de run = 18%
En présence de l’onde plasma de surface  absorption en fin de run = 68%
Espace des vitesses  des électrons (pz/mec, z0/c) à t=4380-1
En présence de l’onde de surface:
 paquets d’électrons à 0
sans onde de surface:
vide
plasma
Surface modulée
vide
plasma
Surface plane
:
Champ magnétique, By en présence de l’onde plasma de surface:
0t=426
0t+
vide
plasma
Surface modulée
vide
plasma
Surface modulée
 champ magnétique basse fréquence ~ 20MG
à IL= 1018W/cm2 seulement !
Vitesse des ions à la fin de l’interaction (t=8970-1):
En présence de l’onde de surface:
vide
plasma
Surface modulée
Sans onde de surface:
vide
plasma
Surface plane
 Excitation de l’onde de surface
 Chauffage des électrons + détente dans le vide
 Détente supplémentaire des ions
 Laser-plasma à 1018 W/cm2:
Collaboration LSI-LULI-CPhT
Très forte augmentation de l’absorption : 18%  68%
 Chauffage important des électrons : 2.3 MeV
Mécanisme d’allumage
réaction de fusion
 Création de champs magnétiques BF: 20MG
Sources pulsées X
 Détente supplémentaire des ions
Accélération protons
 Rôle de IL, collisions, ne/nc
 Accélérations des ions en présence d’onde de surface: cas de lames minces
 Etudes des champs magnétiques autogénérés