Improvement of the efficiency of laser-plasma accelerators

Pour générer des faisceaux d'électrons à hautes énergies, les accélérateurs conventionnels utilisent des ondes radiofréquences pour accélérer des particules chargées à des vitesses relativistes. Cependant, le champ électrique accélérateur produit est limité à quelques dizaines de mégavolts par mètre, dû notamment à un phénomène de claquage. Il faut donc des installations de très grande taille pour atteindre des énergies suffisamment élevées. Ainsi, l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), qui est l'accélérateur linéaire le plus long au monde, accélère des électrons jusqu'à 50GeV sur 3.2km. Les accélérateurs laser-plasma peuvent produire des champs électriques dépassant 100 GV/m, soit environ trois ordres de grandeur plus grands que ceux obtenus par les accélérateurs à cavités radiofréquences. Ils pourraient ainsi permettre une diminution drastique de la taille des accélérateurs pour des applications scientifiques, médicales et industrielles. Cependant, plusieurs verrous devront être levés avant que ces applications puissent voir le jour. Il sera notamment nécessaire de démontrer la production efficace de faisceaux d'électrons de haute qualité, à des énergies de plusieurs GeV et à un taux de répétition élevé.Le projet doctoral s’attaque à cette problématique en explorant de nouvelles méthodes pour augmenter l'énergie des faisceaux d'électrons grâce à des techniques qui sont compatibles avec des puissances laser et des taux de répétition élevés et qui peuvent être alliées avec des méthodes d'injection contrôlée. En effet, des faisceaux d'électrons à haute énergie ou avec une injection contrôlée ont été obtenus séparément durant les quinze dernières années, mais jamais de manière combinée. Cette thèse présente les travaux réalisés sur les techniques de guidage ainsi que sur celles d'injection des électrons qui ont permis d'obtenir expérimentalement des faisceaux de bonne qualité à hautes énergies. Ce travail s'est fait notamment au travers de l'optimisation d'une optique nouvellement conçue au Laboratoire d'Optique Appliquée, l'axiparabole, ainsi que sur le développement de jets de gaz spécifiques à l'accélération laser-plasma.To generate high energy electron beams, conventional accelerators use radio frequency waves to accelerate charged particles to relativistic speeds. However, the accelerating electric field produced is limited to a few tens of megavolts per metre, mainly due to a breakdown phenomenon. Very large facilities are therefore needed to reach sufficiently high energies. For example, the Stanford Linear Accelerator (SLAC), which is the world's longest linear accelerator, accelerates electrons up to 50 GeV over a distance of 3.2 km. Laser-Plasma Accelerators can produce electric fields exceeding 100 GV/m, that are about three orders of magnitude larger than those obtained by radiofrequency-cavity accelerators. They could thus allow for a drastic decrease of the size of accelerators for scientific, medical and industrial applications. Yet, several bottlenecks have to be solved before these applications can be really implemented. It is notably necessary to demonstrate the efficient production of high-quality, multi-GeV electron beams at a high-repetition rate.The doctoral project tackles this problem by exploring new methods for increasing the energy of the electron beams thanks to techniques that are compatibles with arbitrarily high laser powers and repetition rates and that can be combined with controlled injection methods. Indeed, high energy or controlled injection electron beams have been obtained separately during the last fifteen years, but never combined. This thesis presents the work carried out on the guiding techniques as well as on the electron injection techniques which allowed to obtain experimentally good quality beams at high energies. This work was done in particular through the optimisation of a new optic designed at the Laboratoire d'Optique Appliquée, the axiparabola, as well as the development of gas jets specific to laser-plasma acceleration

Amélioration de l'efficacité des accélérateurs laser-plasma

To generate high energy electron beams, conventional accelerators use radio frequency waves to accelerate charged particles to relativistic speeds. However, the accelerating electric field produced is limited to a few tens of megavolts per metre, mainly due to a breakdown phenomenon. Very large facilities are therefore needed to reach sufficiently high energies. For example, the Stanford Linear Accelerator (SLAC), which is the world's longest linear accelerator, accelerates electrons up to 50 GeV over a distance of 3.2 km. Laser-Plasma Accelerators can produce electric fields exceeding 100 GV/m, that are about three orders of magnitude larger than those obtained by radiofrequency-cavity accelerators. They could thus allow for a drastic decrease of the size of accelerators for scientific, medical and industrial applications. Yet, several bottlenecks have to be solved before these applications can be really implemented. It is notably necessary to demonstrate the efficient production of high-quality, multi-GeV electron beams at a high-repetition rate.The doctoral project tackles this problem by exploring new methods for increasing the energy of the electron beams thanks to techniques that are compatibles with arbitrarily high laser powers and repetition rates and that can be combined with controlled injection methods. Indeed, high energy or controlled injection electron beams have been obtained separately during the last fifteen years, but never combined. This thesis presents the work carried out on the guiding techniques as well as on the electron injection techniques which allowed to obtain experimentally good quality beams at high energies. This work was done in particular through the optimisation of a new optic designed at the Laboratoire d'Optique Appliquée, the axiparabola, as well as the development of gas jets specific to laser-plasma acceleration.Pour générer des faisceaux d'électrons à hautes énergies, les accélérateurs conventionnels utilisent des ondes radiofréquences pour accélérer des particules chargées à des vitesses relativistes. Cependant, le champ électrique accélérateur produit est limité à quelques dizaines de mégavolts par mètre, dû notamment à un phénomène de claquage. Il faut donc des installations de très grande taille pour atteindre des énergies suffisamment élevées. Ainsi, l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), qui est l'accélérateur linéaire le plus long au monde, accélère des électrons jusqu'à 50GeV sur 3.2km. Les accélérateurs laser-plasma peuvent produire des champs électriques dépassant 100 GV/m, soit environ trois ordres de grandeur plus grands que ceux obtenus par les accélérateurs à cavités radiofréquences. Ils pourraient ainsi permettre une diminution drastique de la taille des accélérateurs pour des applications scientifiques, médicales et industrielles. Cependant, plusieurs verrous devront être levés avant que ces applications puissent voir le jour. Il sera notamment nécessaire de démontrer la production efficace de faisceaux d'électrons de haute qualité, à des énergies de plusieurs GeV et à un taux de répétition élevé.Le projet doctoral s’attaque à cette problématique en explorant de nouvelles méthodes pour augmenter l'énergie des faisceaux d'électrons grâce à des techniques qui sont compatibles avec des puissances laser et des taux de répétition élevés et qui peuvent être alliées avec des méthodes d'injection contrôlée. En effet, des faisceaux d'électrons à haute énergie ou avec une injection contrôlée ont été obtenus séparément durant les quinze dernières années, mais jamais de manière combinée. Cette thèse présente les travaux réalisés sur les techniques de guidage ainsi que sur celles d'injection des électrons qui ont permis d'obtenir expérimentalement des faisceaux de bonne qualité à hautes énergies. Ce travail s'est fait notamment au travers de l'optimisation d'une optique nouvellement conçue au Laboratoire d'Optique Appliquée, l'axiparabole, ainsi que sur le développement de jets de gaz spécifiques à l'accélération laser-plasma

Amélioration de l'efficacité des accélérateurs laser-plasma

To generate high energy electron beams, conventional accelerators use radio frequency waves to accelerate charged particles to relativistic speeds. However, the accelerating electric field produced is limited to a few tens of megavolts per metre, mainly due to a breakdown phenomenon. Very large facilities are therefore needed to reach sufficiently high energies. For example, the Stanford Linear Accelerator (SLAC), which is the world's longest linear accelerator, accelerates electrons up to 50 GeV over a distance of 3.2 km. Laser-Plasma Accelerators can produce electric fields exceeding 100 GV/m, that are about three orders of magnitude larger than those obtained by radiofrequency-cavity accelerators. They could thus allow for a drastic decrease of the size of accelerators for scientific, medical and industrial applications. Yet, several bottlenecks have to be solved before these applications can be really implemented. It is notably necessary to demonstrate the efficient production of high-quality, multi-GeV electron beams at a high-repetition rate.The doctoral project tackles this problem by exploring new methods for increasing the energy of the electron beams thanks to techniques that are compatibles with arbitrarily high laser powers and repetition rates and that can be combined with controlled injection methods. Indeed, high energy or controlled injection electron beams have been obtained separately during the last fifteen years, but never combined. This thesis presents the work carried out on the guiding techniques as well as on the electron injection techniques which allowed to obtain experimentally good quality beams at high energies. This work was done in particular through the optimisation of a new optic designed at the Laboratoire d'Optique Appliquée, the axiparabola, as well as the development of gas jets specific to laser-plasma acceleration.Pour générer des faisceaux d'électrons à hautes énergies, les accélérateurs conventionnels utilisent des ondes radiofréquences pour accélérer des particules chargées à des vitesses relativistes. Cependant, le champ électrique accélérateur produit est limité à quelques dizaines de mégavolts par mètre, dû notamment à un phénomène de claquage. Il faut donc des installations de très grande taille pour atteindre des énergies suffisamment élevées. Ainsi, l'accélérateur linéaire de Stanford (SLAC), qui est l'accélérateur linéaire le plus long au monde, accélère des électrons jusqu'à 50GeV sur 3.2km. Les accélérateurs laser-plasma peuvent produire des champs électriques dépassant 100 GV/m, soit environ trois ordres de grandeur plus grands que ceux obtenus par les accélérateurs à cavités radiofréquences. Ils pourraient ainsi permettre une diminution drastique de la taille des accélérateurs pour des applications scientifiques, médicales et industrielles. Cependant, plusieurs verrous devront être levés avant que ces applications puissent voir le jour. Il sera notamment nécessaire de démontrer la production efficace de faisceaux d'électrons de haute qualité, à des énergies de plusieurs GeV et à un taux de répétition élevé.Le projet doctoral s’attaque à cette problématique en explorant de nouvelles méthodes pour augmenter l'énergie des faisceaux d'électrons grâce à des techniques qui sont compatibles avec des puissances laser et des taux de répétition élevés et qui peuvent être alliées avec des méthodes d'injection contrôlée. En effet, des faisceaux d'électrons à haute énergie ou avec une injection contrôlée ont été obtenus séparément durant les quinze dernières années, mais jamais de manière combinée. Cette thèse présente les travaux réalisés sur les techniques de guidage ainsi que sur celles d'injection des électrons qui ont permis d'obtenir expérimentalement des faisceaux de bonne qualité à hautes énergies. Ce travail s'est fait notamment au travers de l'optimisation d'une optique nouvellement conçue au Laboratoire d'Optique Appliquée, l'axiparabole, ainsi que sur le développement de jets de gaz spécifiques à l'accélération laser-plasma

Laser-plasma guiding of ultra-intense laser pulses

International audienc

Axiparabola: a new tool for high-intensity optics

International audienceAbstract An axiparabola is a reflective aspherical optics that focuses a light beam into an extended focal line. The light intensity and group velocity profiles along the focus are adjustable through the proper design. The on-axis light velocity can be controlled, for instance, by adding spatio-temporal couplings via chromatic optics on the incoming beam. Therefore the energy deposition along the axis can be either subluminal or superluminal as required in various applications. This article first explores how the axiparabola design defines its properties in the geometric optics approximation. Then the obtained description is considered in numerical simulations for two cases of interest for laser-plasma acceleration. We show that the axiparabola can be used either to generate a plasma waveguide to overcome diffraction or for driving a dephasingless wakefield accelerator

Axiparabola: a long-focal-depth, high-resolution mirror for broadband high-intensity lasers

International audienceDiffraction puts a fundamental limit on the distance over which a light beam can remain focused. For about 30 years, several techniques to overcome this limit have been demonstrated. Here, we propose a reflective optics, namely, the axiparabola, that allows to extend the production of "dif-fraction-free" beams to high-peak-power and broadband laser pulses. We first describe the properties of this aspheric optics. We then analyze and compare its performances in numerical simulations and in experiments. Finally, we use it to produce a plasma waveguide that can guide an intense laser pulse over 10 millimeters

Measurement and control of main spatio-temporal couplings in a CPA laser chain

International audienceWe report a straightforward method to control main spatio-temporal couplings in a chirped pulse amplification (CPA) laser chain system using a specially designed chromatic doublet in a divergent beam configuration. The centering of the doublet allows for the control of the spatial chirp of the CPA laser chain, while its longitudinal position in the divergent beam enables the control of the amount of longitudinal chromatism in a wide dynamic range. The performance of this technique is evaluated by measuring main spatio-temporal couplings with a simple method, based on an ultrafast pulse shaper, which allows for a selection of narrow windows of the spectrum

Controlled acceleration of GeV electron beams in an all-optical plasma waveguide

International audienceLaser-plasma accelerators produce electric fields of the order of 100 GV/m, more than 1000 times larger than radio-frequency accelerators. Thanks to this unique field strength, they appear as a promising path to generate electron beams beyond the TeV, for high-energy physics. Yet, large electric fields are of little benefit if they are not maintained over a long distance. It is therefore of the utmost importance to guide the ultra-intense laser pulse that drives the accelerator. Reaching very high energies is equally useless if the properties of the electron beam change completely shot to shot. While present state-of-the-art laser-plasma accelerators can already separately address guiding and control challenges by tweaking the plasma structures, the production of beams combining high quality and high energy is yet to be demonstrated. Here we use a new approach for guiding the laser, and combined it with a controlled injection technique to demonstrate the reliable and efficient acceleration of high-quality electron beams up to 1.1 GeV, from a 50 TW-class laser

Hard X Rays from Laser-Wakefield Accelerators in Density Tailored Plasmas

International audienceBetatron x-ray sources from laser-plasma accelerators reproduce the principle of a synchrotron at the millimeter scale. They combine compactness, femtosecond pulse duration, broadband spectrum, and micron source size. However, when produced with terawatt class femtosecond lasers, their energy and flux are not sufficient to compete with synchrotron sources, thus limiting their dissemination and its possible applications. Here we present a simple method to enhance the energy and the flux of betatron sources without increasing the laser energy. The orbits of the relativistic electrons emitting the radiation were controlled using density tailored plasmas so that the energetic efficiency of the betatron source is increased by more than one order of magnitude