Structures du faisceau d’électrons et propagation du laser

Structures du faisceau d’électrons et propagation du laser

Ce chapitre regroupe d’une part les résultats expérimentaux dévoilant des structures fines du faisceaux d’électrons et d’autre part les caractéristiques du laser après interaction. Nous avons observé une corrélation entre l’angle de sortie des électrons et leur énergie.Ce phénomène est attribué à une injection des électrons hors-axe et aux oscillations des électrons autour de l’axe laser durant leur propagation. La mesure du rayonnement de transition montre que le faisceau d’électrons possède des structures fines. Ensuite, les propriétés du laser transmis sont aussi mesurées et cette interaction très non-linéaire mène à un rétrécissement temporel de l’impulsion laser. La mesure de l’énergie laser transmise après interaction permet d’estimer l’énergie transférée au plasma. Enfin, le diagnostic de diffusion Thomson permet de visualiser la propagation du laser dans le plasma et le diagnostic d’interférométrie permet d’obtenir la densité d’électrons libres dans le plasma.Dans quelques cas au cours des diverses expériences menées durant ma thèse, nous avons observé des corrélations particulières sur le spectre entre l’énergie des électrons et l’ordonnée de l’impact du faisceau. Ces oscillations montrent un lien entre l’angle de sortie et l’énergie des électrons. Un exemple typique est représenté sur la figure 3.1. Cette image a été obtenue à une densité électronique de 6 × 10 Les arguments suivants permettent de réduire le nombre de possibilités : l’instabilité des oscillations du paquet d’électrons (Whittum et al., 1991) décrit le couplage résonant entre la position des centroïdes du paquet d’électrons le long de l’axe de propagation et les parois d’un canal ionique. Elle est fortement atténuée pour des faisceaux dont la longueur est plus petite que la longueur d’onde plasma (Krall et Joyce, 1994). Cette in- stabilité donne des modulations à la fréquence plasma électronique ωd’électrons. En fait, les oscillations du barycentre des électrons sont observées pour des énergies élevées et non pour les basses énergies.

L’instabilité des oscillations du laser provient du couplage entre une impulsion la- ser et l’onde plasma générée. Des perturbations de l’impulsion laser modifient la force pondéromotrice, ce qui déforme l’onde plasma qui n’est plus axi-symétrique. En retour, ce profil de densité électronique asymétrique agit sur la queue de l’impulsion laser. Ce couplage résonant entre les perturbations du laser et l’onde plasma générée a été observé expérimentalement (Kaluza et al., 2006) dans des conditions expérimentales similaires aux nôtres. Néanmoins, nous travaillons en général à plus basse densité et nous utilisons aussi le diagnostic de diffusion Thomson pour observer l’interaction et nous n’avons ja- mais observé d’oscillations significatives dans l’ensemble des expériences effectuées. Cet effet est décrit dans (Sprangle et al., 1994; Shvets et Wurtele, 1994) et ces théories né- cessitent une perturbation initiale du laser (que ce soit un décalage par rapport à l’axe central d’un canal ionique ou un décalage progressif des barycentres de l’impulsion dans un plasma uniforme). Dans nos conditions la longueur d’impulsion laser est plus courte que la longueur d’onde plasma, ce qui limite l’influence de cette instabilité. De plus, même en présence d’un léger mouvement instable de la position du laser au cours de la propaga- tion, les électrons piégés se trouvant derrière cette perturbation verraient tous les mêmes perturbations et le faisceau d’électrons subirait une déflexion globale. Cet effet peut par exemple être à l’origine des fluctuations du pointé du faisceau d’électrons à la sortie. Cela n’explique donc pas les quelques périodes d’oscillations dépendant de l’énergie des électrons observées expérimentalement.Mis à part les instabilités, si les électrons rattrapent le laser, ils seront déviés de leur axe par le champ électrique du laser. Cela concernerait en priorité les électrons de forte énergie qui se trouvent à l’avant du paquet d’électrons. Mais, la direction des oscilla- tions observées expérimentalement est perpendiculaire à la polarisation du faisceau. Le champ électrique du laser semble donc ne pas être directement responsable. Cependant, des composantes du champ électrique du laser apparaissent dans la direction des oscilla- tions lorsque l’approximation paraxiale n’est plus valide. La correction au premier ordre du champ électrique hors de l’approximation paraxiale est orientée suivant l’axe longitu- dinal (axe de propagation du laser) (Quesnel et Mora, 1998). La correction suivant l’axe d’observation des oscillations est de deuxième ordre en ε = 1/(k = 18 µm, donc très faible. De même, la rotation de la polarisation par effet Faradayest peu importante en régime sous dense. Il est peu probable que de tels effets soient responsables des oscillations observées.

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