Petite histoire subjective et incomplète des lasers de puissance haute énergie et de leurs applications

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1 Petite histoire subjective et incomplète des lasers de puissance haute énergie et de leurs applications vue par François Amiranoff Laboratoire pour l Utilisation des Lasers Intenses

2 Pardon à tous ceux que je n'évoquerai pas Et pardon pour tous les sujets oubliés

3 Qu est-ce qu une impulsion laser de haute énergie? LASER Un grand nombre de photons ordonnés dans un petit paquet Un paquet d onde électromagnétique cohérent Mais surtout une impulsion plus énergétique que dans la plupart des autres laboratoires

4 Caractéristiques spécifiques d une impulsion laser de puissance? Puissance : machines humaines les plus puissantes? aujourd'hui jusqu'au PW (10 15 W) Focalisation : concentration sur des dimensions Intensité sur cible : aujourd'hui jusqu'à W/cm 2 puissance du Soleil sur qq m 2 Durée : de qq ns (1m) jusqu'à qq fs (10 m) Monochromaticité : avantage / désavantage?

5 Intensité : production de milieux chauds et denses et champs intenses Intensité sur cible : aujourd'hui jusqu'à W/cm 2 puissance du Soleil sur qq m 2 Production de milieux chauds et éventuellement denses faisceau laser GW à PW cible chauffée à des millions de degrés kev - MeV Champs transverses et longitudinaux intenses V/m T Intensités W/cm 2 rayon de la tache focale 1 mm à 1 μm

6 Production de milieux comparables au Soleil et au cœur de planètes Production d énergie au centre du soleil 15 OOO OOO Structure du centre des planètes Millions d atmosphères Manteau Noyau externe Fe liquide Noyau interne (graine) Fe solide

7 Des premières études et propositions dès 1960,

8 Evolution des lasers impulsionnels Puissance PW TW GW MW kw RELAXES BLOCAGE DE MODES DECLENCHES CHIRPED PULSE AMPLIFICATION (CPA) Amplification d'impulsion à dérive de fréquence Année

9 Premiers lasers et premiers résultats Nombreux lasers dès 1960 CEA - Limeil : premier laser à rubis premiers neutrons de fusion thermonucléaire avec L5 (2x125 J en 30 ns) et bâtonnets de deuterium solide Ecole Polytechnique : 1965 : premier laser rubis à l'ecole Polytechnique* Puis lasers CO 2, Nd

10 Mais pour la fusion, il faut comprimer Ablation laser et effet fusée L'éjection de matière exerce une poussée sur la cible Chauffage et éjection Accélération T e V V front d ablation

11 Principe de la Fusion par Confinement Inertiel (1971) Porter le combustible à haute température et haute densité Buts : comprimer et chauffer pour optimiser le nombre de réactions pendant la phase comprimée Chauffage par les Combustion 10 à 100 ps Expansion du plasma Compression du DT Allumage central 20 x Pb T C. Cible remplie de DT irradiée par laser

12 Le schéma est simple Il n'y a plus qu'à essayer

13 Fusion par Confinement Inertiel Des mécanismes physiques complexes et variés Quel laser utiliser?? Interaction laser-plasma Transport d énergie Hydrodynamique Physique atomique et Equations d Etat des plasmas chauds et denses

14 Absorption : vers les courtes longueurs d'onde Absorption à plus haute densité pour courte

15 Electrons rapides : vers les courtes longueurs d'onde En plus du plasma thermique : électrons "suprathermiques" = f (I 2 ) Préchauffage et pousseur explosif (I 2 ) 1/3?? (I 2 ) 1/2?? - de toute façon : adieu le CO 2

16 Début d'une longue période très instable mais très riche en physique des plasmas Croissance linéaire : facile mais prévisions dramatiques pour Brillouin et Raman et Cie (diffusion, préchauffage) Comment s'en débarrasser? Y comprend-on quelque chose? (saturation non-linéaire)

17 Efficacité de la fusée : vers les courtes longueurs d'onde Accélération de cibles P a I 2/3 / 2/3 Zone accélérée

18 A priori, les les plus courtes sont les meilleures Mais Rayleigh-Taylor n'est pas d'accord Déformation de la coquille Compression limitée Mélange coquille - combustible

19 Implosion par attaque directe sur Octal (CEA Limeil) Coquille Imagerie X résolue temporellement Pour conserver une implosion sphérique Uniformité d'irradiation et de qualité des cibles requise de l'ordre de 1%! Cœur implosé

20 Le lissage optique : tout un champ d'étude Version de base : lame de phase aléatoire 100 m Version de luxe : couplage spatio-temporel Faire bouger rapidement la figure d'interférence KPP KPP + largeur spectrale + SSD

21 Les mystérieux "hohlraum" Mettre la cible au four à 300 ev pendant 20 ns Des rayons X encore des rayons X conversion laser en rayons X absorption, émission, transfert de rayonnement Géométrie et symétrie de compression

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23 Implosion par attaque indirecte sur Phebus Géométrie de cavité pour attaque à 2 faisceaux

24 Contrôle de la symétrie par la géométrie de la cavité Phebus - 2 faisceaux Observation de l'émission X du coeur 2 points chauds Yo-yo Ellipsoïde b/a=1,6 Quasisphérique b/a=1,3

25 Fusion indirecte : une voie robuste pour la fusion 6 Physique Capsule Instabilités hydro 5 Physique Capsule Couplage ablateur Chocs 4 Physique Cavité Symétrie 3 Physique Cavité Rayonnement Implosion Vitesse Conditions finales 7 Interaction : instabilités laser plasma Fenêtre et plasma interne Interaction laser - matière Conversion X Transfert radiatif 1 2 D. BESNARD IFSA Biarritz September

26 Aujourd'hui tout est clair! Objectif le LMJ La taille des lasers nécessaires et construits à toujours augmenté mais aujourd'hui tout est clair

27 Contraintes conduisant au MJ P laser [TW] _ Instabilités hydrodynamiques Instabilités interaction 345 ev Spécifications LMJ Base LMJ 300 ev NIForiginal design 300 ev 260 ev simulation intégrée + 10% rétrodiffusion et autres contraintes E laser [MJ] _ D. BESNARD IFSA Biarritz September

28 Our baseline target has been optimized 1204 μm 1040 CH % Ge Au 6.2 mm P (TW) 440TW 940 DT 3.4 mm HHe 0.8 mg/cc l 10.4 mm Laser beams In 3 cones 10 P l (TW) time (s) P l = 440 TW T R = 300 ev P las Internal cone balance D. BESNARD IFSA Biarritz September

29 Le Laser MégaJoule au (2 MJ, 550 TW), 3 0 (0.35 m), 2x3 ignition 600 tirs / an dont 0-20 tirs / an à G nominal 240 (40x40 cm 2 ) faisceaux répartis en 4 halls laser (300x150m 2 ), 60 quads, 30 chaînes amplificatrices & une salle expérimentale ( 30m, h40m) centrale dotée d une chambre d'expériences ( 10m) chaînes amplificatrices (8 beamlets / chaîne) espace expérimental 29

30 Quelques produits dérivés Lasers X Chocs et matériaux Equations d'état Astrophysique opacités, chocs radiatifs, jets

31 Laser X : Milieu amplificateur Plasma produit par laser Amplification en 1 ou 2 passages 1-2 cm laser de pompe Fonctionnement à saturation (GxL ~ 15-20): extraction d'énergie, stabilité, cohérence filament de plasma faisceau laser X Caractéristiques (spatiale, temporelle, énergie) du laser X «contrôlées» par laser de pompe Impulsion brèves, intenses, cohérentes dans le domaine X

32 Transitions de phases épaisseur 410 m chocs ~ 60 GPa petites macles (phase ) observations / simulations numériques amélioration des modèles (maclage, écaillage, chgt de phase ) macles de cisaillement

33 Parallèle des effets naturels et reproduits en laboratoire De Résseguier 1mm Impact laser : de l ordre du mm Chixculub : de l ordre de 12km pour un cratère de 200km P 20km Intérêt de reproduire en labo les signatures laissées par un impact...

34 Matériaux sous haute pression et haute température Mesures d équations d état Les chocs laser permettent de produire des matériaux dans des conditions rencontrées dans : cibles de fusion, étoiles, planètes Exemples de mesures vitesses de chocs vitesse matérielle sous choc

35 Equation d état du CHBr Application directe à la FCI CHBr Ablateur pour les cibles NIF Minimiser le préchauffage CHBr Al 8 P(Mbar) LULI-CEA AWE Model U (km/s) Koenig et al. Appl. Phys. Lett. 72, 1033 (1998)

36 Comportement du Deuterium à haute pression: encore une question ouverte SESAME Nouveau modèle avec dissociation Les données obtenues à LLNL suggèrent une plus grande compressibilité de l hydrogène vers 1 Mbar due à la dissociation (énergie dissociation, T plus faible et plus élevée)

37 Physique atomique des plasmas denses et chauds Exemple: Mesures d opacité dans les domaines X- XUV Un plasma chaud est sondé par une source X annexe Impulsion ps Chauffage ns Sonde rayons X Échantillon chauffé par rayonnement diagnostique temps Longueur d onde Sm émetteur espace Spectrographe à cristal Spectre quasi continu < 5 kev Sonde courte ~4 ps Chenais et al., SPIE 5196, 205 (2004) Longueur d onde Raies d absorption

38 Les premières expériences plasma sur la LIL fin 2004 Jet de plasma créé par irradiation d'un cône Plasma d'or 4 faisceaux laser Jet de plasma 70 ev (0,7 MK) 2,3 ns Simulation Expérience D. BESNARD IFSA Biarritz September

39 Le renouveau grâce aux impulsions courtes Puissance PW TW GW MW kw 100ps -1ns Relaxés Blocage de modes Déclenchés 50ns < ps CHIRPED PULSE AMPLIFICATION (CPA) Amplification d'impulsion à dérive de fréquence Année

40 En régime de très haute intensité, énergie laser > électrons très énergétiques Transport de faisceaux intenses Production de faisceaux de rayons X,, neutrons, protons et nombreuses réactions nucléaires rayons Impulsion laser électrons neutrons nuage de protons et autres ions en expansion

41 Un miracle en physique des plasmas : le GeV sur table Jet de gaz Impulsion laser Faisceau intense d'électrons "monoénergétiques" Expérience 3D PIC Pukhov Divergence < 6 mrad J. Faure et al, Nature 2004 laser Energie [MeV]

42 Allumage rapide : chauffage du combustible comprimé par un faisceau intense d'e 0. Compression du combustible 1. Creusement d'un canal dans le plasma périphérique 2. Irradiation haute intensité et production de particules énergétiques 10 n c 1000 n c 300 m 3. Transport des particules dans le plasma 4. Chauffage du combustible et allumage De nombreux défis mais en cas de miracle

43 Gains très élevés prédits avec l allumage rapide Gain de la cible Allumage Rapide 300 g/cc E L =92 kj E fusion : 10 MJ LMJ, NIF Dimensionnement NIF 150 g/cc E L =330 kj E fusion : 100 MJ V = 3x10 7 cm/s E fusion : 1000 MJ Schéma direct Gain ~ E 2/3 V = 4x10 7 cm/s Energie laser ns [ MJ ] Données LLNL

44 Creusement, mais les instabilités au cours de la propagation laser Instabilités de propagation dont "hosing", filamentation J-C. Adam, A. Héron, 1998 laser Najmudin et al., W/cm 2, 1 ps, 3x10 19 cm -3 rendent sans doute illusoires une propagation efficace et un pointage précis.

45 Plusieurs mécanismes d'accélération des électrons Champ E laser et champ "plasma" "vacuum heating", Brunel, Absorption résonnante E laser Champs E et B laser chauffage v x B vxb laser E laser Longs plasmas sous-denses Ondes plasma, canaux, E et B laser, E laser, vxb laser Ondes plasma, canaux

46 La physique du transport des électrons est complexe Les paramètres du faisceau sont extrêmes Q 14 mc < 10 ps 30 m I 10 9 A j A/cm 2 Impulsion laser courant rapide Courant de retour r E r B collisions Effets de charge d espace Champs induits, courant de retour, focalisation, guidage Instabilités : Weibel, filamentation, coalescence,... Collisions: ralentissement, diffusion

47 Effets attendus sur le transport électronique 1. Morcellement du courant d'électrons rapides en petits filaments j beam 2. Guidage d'une partie du faisceau par le champ magnétique autogénéré? T e [kev] t = 250 fs t = 510 fs t = 1000 fs m

48 Mais : PIC 2D montrent filamentation à W/cm 2 Filaments d'électrons J-C. Adam, A. Héron Fraction d'électrons 1-2 MeV après 1.2 ps

49 et différents diagnostics de la propagation des électrons X-UV 27 μm Al 125 m Al Imagerie Al à 500 m 180 Å #159 visible 150 m 110 m K

50 indiquent une propagation des électrons dans un cone d'ouverture ± 20 Imagerie Al à 500 m 180 Å ± m

51 L'entonnoir hérétique Après des décennies de recherche de symétrie!!! UR - LLE Et pourtant ça marche? Personne ne sait mais on fait de la jolie physique

52 Le bout du cône est très proche du cœur comprimé Le bout du cône n'est plus qu'à 50 m du cœur Et le plasma sous-dense est presque inexistant UR - LLE Exemple de radiographie de cible comprimée avec cône

53 Les premières expériences intégrées sur l'allumeur Rapide avec cône sont encourageantes Une cible sphérique est implosée en régime ns (2,5 kj) g/cc, D = m Une impulsion PW (300 J, 0,6 ps) est injectée dans le cône au moment de la compression Et génère des électrons qui réchauffent le combustible comprimé (de 0.4 kev à 0.8 kev) 250 m Rendement PW > chauffage 20-30% R. Kodama et al., Nature 418, 933 (2002)

54 Installations couplées ns/ps 1 MJ énergie 100 kj 10 kj 1 kj 100 J Allumage? FIREX I 2007 LLE -EP 2007 SG-II China 2006 PW RAL Phelix GSI LULI Pico 2000 LULI 100 TW RAL Vulcan ILE Osaka FIREX II NIF/PW LMJ/PW? PW-LIL 2010 en opération en construction ou en projet 10 J Trident Faisceau ps seul 100 J 1 kj 10 kj 100 kj 1 MJ 10 MJ durée

55 Perspectives : les deux voies et leurs espoirs Grandes installations ns (LULI, LIL, LMJ) Petites étoiles : Fusion, astrophysique, Couplage impulsions ns, impulsions ps Allumage rapide? Matière dense et chaude Impulsions sub-ps Sources intenses et brèves de particules et rayonnement et applications Ultra hautes intensités Dans tous les cas, une physique très riche et des objectifs ambitieux