Émission d’harmoniques

L’émission d’harmoniques des feuilles minces de carbone et d’aluminium qui restent surdenses lors de l’interaction, irradiées par des impulsions longues de 150 fs doublées en fréquence à λ = 395 nm et les intensités pic de quelques 1018 _W/cm2 _{a été étudiée (Teubner et}

al., 2004). Ici, pour la première fois l’émission d’harmoniques sur la face arrière a été raportée à partir de cibles ultra minces d’épaisseur d’une fraction de λ0 = 395 nm dans le domaine

d’intensités ‘modérées’ en dessous de la limite relativiste de a0 = 1.

Pour éviter une expansion précoce des feuilles minces par la formation de préplasma et pour assurer un gradient de densité raide nécessaire pour la génération d’harmoniques efficace, la lumière laser était doublée en fréquence à λ0 = 395 nm. Les feuilles minces

d’aluminium ou carbone d’épaisseur de 50 à 400 nm ont été utilisées. En plus des harmoniques émises de la face arrière de la feuille, des harmoniques réfléchies d’ordre ≥ 5 ont été étudiées.

Dans le cas d’une cible de carbone de 60 nm d’épaisseur, l’efficacité de conversion du faisceau laser en harmoniques diminuait fortement de la 9ème _{à la 10}ème _{harmonique. Au-delà de}

cette coupure, il n’y avait pas d’harmoniques qui dépassaient le bruit expérimental. Les efficacités de conversion des harmoniques réfléchies montrent une dépendance similaire de

l’ordre d’harmoniques à celle des harmoniques sur la face arrière, bien qu’elles soient plus intenses.

L’émission de la face avant est plus intense que celle de la face arrière même pour les feuilles les plus minces. La variation de l’intensité laser IL a montré que les hautes harmoniques

à la face arrière étaient toujours présentes même lorsque l’intensité était réduite d’un facteur 10. Leur efficacité suit la loi d’échelle similaire à celle observée pour des harmoniques de face avant à partir de cibles massives. Par exemple, l’efficacité de la 7ème _{harmonique change}

suivant l’expression 𝜂7 ∝ 𝐼𝐿𝛼, avec α entre 1 et 2.

À partir des simulations PIC il a été conclu que l’émission d’harmoniques est due à des courants électriques coulant dans la feuille dans une région où la fréquence d’harmoniques qω0

(avec q = 1,2,…,ω0 étant la fréquence laser) est proche de la fréquence plasma locale.

L’excitation de ces courants résonants est attribuée à des électrons énergétiques qui se propagent de la zone d’interaction dans la feuille. L’harmonique la plus élevée générée de cette façon est proche de la fréquence plasma de la feuille dense. Au-dessus de cette fréquence une coupure a lieu, qui est observée dans l’expérience et la simulation et peut aider à déterminer la densité maximum dans la feuille durant l’interaction.

La réflexion de la lumière d’un miroir se déplaçant à la vitesse proche de celle de la lumière a été anticipée comme une route vers des impulsions de rayons X brillants. Pour un miroir relativiste idéal, la puissance pic de la radiation réfléchie peut considérablement dépasser celle de la radiation incidente à cause de l’augmentation de photons et la compression temporelle qui l’accompagne. Pour la première fois il a été démontré que des miroirs relativistes denses peuvent être créés de l’interaction d’une impulsion laser de haute intensité avec une cible mince autoportante d’échelle nanométrique (Kiefer et al., 2013). Les structures miroirs décalent la fréquence d’une impulsion laser contre-propageant de l’infrarouge à l’extrême ultraviolet avec une efficacité >104 _{fois plus haute que dans le cas de diffusion incohérente.}

Des cibles autoportantes d’épaisseur nanométrique étaient irradiées avec une impulsion de pompe à haute intensité ultra-relativiste (6 × 1020 _W/cm2_{), alors qu’une plus faible impulsion}

‘sonde’ contre-propageante était focalisée à 1015 _W/cm2 _{– suffisamment faible pour ne pas}

perturber la dynamique de l’interaction. Un spectre modulé périodiquement s’étendant jusqu’à la longueur d’onde de ~60 nm est observé, montrant l’émission périodique de miroirs électroniques relativistes (MER) qui se propagent avec γmax ~ 2 suivant l’axe de l’impulsion

sonde. De tels MER diffusent la radiation incidente de façon cohérente jusqu’à une fréquence de ~14ωL.

2.4.1. Génération de l’émission synchrotron cohérente

Un nouveau régime d’interaction a été identifié dans lequel des nanoaccumulations denses d’électrons sont formées à la frontière plasma-vide qui donnent une radiation XUV/rayons X cohérente par l’émission synchrotron cohérente (ESC). Des spectres ont été observés avec une signature caractéristique spectrale de l’ESC : une diminution lente d’intensité, I, avec un ordre d’harmonique haut, n, comme I(n) ∝ n-1.62 _{avant une chute rapide}

d’efficacité (Dromey et al., 2012). La fréquence de la chute ωrs est liée à δ, l’étendue spatiale, et

γmax, le facteur de Lorentz relativiste maximum, de la nanoaccumulation. Ces

nanoaccumulations denses d’électrons peuvent être périodiquement formées et accélérées durant chaque cycle laser à l’interface vide - plasma pour des interactions à l’incidence oblique. Pour des interactions de quelques cycles (<5), la condition nécessaire pour l’émission des portions de l’ESC par de telles nanoaccumulations en réflexion spéculaire est une longueur d’échelle de la densité du plasma ultracourte.

L’observation spécifique du mécanisme ESC en réflexion spéculaire pendant les interactions à incidence oblique n’est pas simple du point de vue expérimental. L’exigence d’une haute intensité d’interaction (>>1018 _W/cm2_{) typiquement sous-entend l’utilisation}

d’impulsions laser de nombreux cycles (>>5), ce qui produit une évolution des paramètres plasma, en particulier, le profil de densité du plasma devient comparable à λlaser, la longueur

d’onde laser. Cette évolution empêche les conditions spécifiques nécessaires pour la génération ESC d’être maintenues (ou même atteintes) pour la durée entière de l’impulsion. Au contraire, l’évolution du plasma vers des longueurs d’échelle de densité relativement plus longues favorise la domination du mécanisme de MER sur l’ESC lors de l’interaction.

Pour étudier la génération de l’ESC en transmission avec des feuilles ultra minces, des feuilles de carbone de type diamant ont été placées au point focal du laser normalement au faisceau incident, ce qui donnait des intensités d’interaction pic de ~4 × 1020 _W/cm2_{. Le spectre}

d’harmoniques typique obtenu en transmission montre une basse fréquence de coupure 25 ˂ nc ˂ 26. La présence de cette coupure de basse fréquence est une indication claire du

maintien d’une densité proche de celle solide au moment de la génération de l’ESC avec des feuilles de 200 nm et confirme l’ESC sur la face avant de la feuille.

La dépendance de l’ESC générée par laser transmise à travers des feuilles minces de la polarisation a été étudiée expérimentalement par Yeung et al. (2014) Le processus de génération d’harmoniques parait être quasiment supprimé pour la polarisation circulaire ouvrant une possibilité de génération d’impulsions attosecondes isolées par sélection de polarisation. Des simulations PIC supposent que des impulsions laser actuelles sont capables de générer des impulsions XUV attosecondes isolées avec de hautes énergies d’impulsion.