Laboratoire d'Optique Appliquée https://loa.ensta-paris.fr UMR 7639 Tue, 17 Jan 2023 14:32:47 +0000 fr-FR hourly 1 https://wordpress.org/?v=6.1.1 https://loa.ensta-paris.fr/wp-content/uploads/2018/10/LOA_logo_vert_seul-100x100.png Laboratoire d'Optique Appliquée https://loa.ensta-paris.fr 32 32 Un paratonnerre laser dans la haute montagne https://loa.ensta-paris.fr/fr/2023/01/17/un-paratonnerre-laser-dans-la-haute-montagne/ Tue, 17 Jan 2023 13:55:32 +0000 https://loa.ensta-paris.fr/?p=6496

Un paratonnerre laser dans la haute montagne

Des chercheurs du groupe F-ILM du LOA, en collaboration avec l’Université de Genève, l’EPFL et l’entreprise TRUMPF, ont récemment développé une nouvelle technique pour la foudre dans le cadre du projet européen FET-OPEN “Laser Lightning Rod”.

Le projet a nécessité le développement d’un laser qui réunit une haute puissance crête de 1 terawatt avec une cadence de 1 kHz,  générant ainsi une puissance moyenne de 1 kilowatt. Ce laser, qui pèse plus de 3 tonnes, a été installé au sommet du mont Säntis en Suisse (2502 m d’altitude), et a été focalisé au-dessus d’une tour de 124 m, munie d’un paratonnerre traditionnel. Les impulsions laser puissantes se propagent dans l’air en créant un “filament laser”.  Grace à la haute cadence kHz, cela crée un “chemin de guidage” persistant pour la foudre, qui la dirige vers le paratonnerre existant, ainsi rallongeant son rayon d’action de 124 à plus de 180 m.

Cette technique innovante pourrait être utilisée pour protéger les bâtiments et les structures importantes, telles que les centrales nucléaires, les parcs éoliens, et les aéroports, contre les dommages causés par la foudre.

Plus de détails sur cette étude peuvent être trouvés dans les actualités de l’Ecole Polytechnique, ainsi que dans la publication scientifique correspondante :

Houard, P. Walch et al. Laser-guided lightning. Nature Photonics (2023)

(lien arXiv)

Une des photographies (gauche) et la reconstruction 3D (droite) d’un des événements de foudre du juillet 2021, enregistrés en présence du laser. La trajectoire du laser dans le ciel est superposée.
]]> Trois nouveaux projets de recherche financés au LOA https://loa.ensta-paris.fr/fr/2022/12/13/trois-nouveaux-projets-de-recherche-finances-au-loa-2/ Tue, 13 Dec 2022 10:50:02 +0000 https://loa.ensta-paris.fr/?p=6482

Trois nouveaux projets de recherche financés au LOA

En plus de la bourse ERC d’Adrien Leblanc, trois autres nouveaux projets de recherche sont lancés au LOA :

FemtoDose: (projet ANR)

L’ANR finance avec 298 k€ sur 4 ans le projet FemtoDose. Ce projet est née de la collaboration entre le physicien expérimental Adrien Leblanc du groupe UPX du LOA et le physicien en théorie et simulation Henri Vincenti du LIDyL, CEA Saclay. Leur objectif est de développer un nouveau design d’accélérateur d’électrons par interaction laser-plasma afin d’augmenter la capacité de ce type d’accélérateurs. Le but final est d’utiliser cette source performante afin d’étudier, avec l’aide d’Alessandro Flacco (groupe APPLI, LOA), les effets temporels du dépôt de dose par des électrons relativistes dans des tissus biologiques.

Gauche : Schéma expérimental de la combinaison de l’accélération dans un champ de sillage laser-plasma crée dans un jet de gaz avec un injecteur miroir plasma. Droite : Extrait illustrative d’une simulation numérique.

BANDITO: Boosting AttosecoND IntensiTy with plasma mirrors (projet ANR)

L’ANR soutient finance avec 514 k€ sur 4 ans le projet BANDITO, coordonné par Stefan Haessler du groupe PCO du LOA. Ce groupe, avec l’aide des collègues LOA Philippe Zeitoun, Adrien Leblanc et Igor Andriyash, veulent exploiter la compression temporelle et l’augmentation résultante de l’intensité des ondes laser ultra-intenses lors de la réflexion sur un miroir plasma.

Un défi principal à relever sera la refocalisation du faisceau laser réfléchis avec une précision spatio-temporelle suffisante. Les chercheurs espèrent ainsi démontrer une intensité record pour des impulsions sub-femtosecondes. En parallèle, ils développeront une cible à feuille liquide qui pourrait éliminer les limitations critiques rencontrées avec les cibles solides.

MAGNETOQUANT: (projet CIEDS)

Le projet MAGNETOQUANT, coordonné par Davide Boschetto du groupe APPLI, est financé à hauteur de 600 k€ sur 4 ans par le Centre Interdisciplinaire d’Etudes pour la Défense de l’Institut Polytechnique de Paris. Il vise à étudier les dynamiques ultrarapides des électrons piégés soit dans un défaut cristallin soit dans une structure confinée. De plus, nous envisageons d’étudier les dynamiques d’interaction électron-phonon et spin-phonon sous l’effet de champs magnétiques extérieurs. L’étude de ces mécanismes de couplage entre différent degrés de liberté du cristal ouvre la porte à des applications en magnétométrie de haute résolution avec beaucoup d’applications sociétales.

]]> Un laser à électrons libres dans l’ultraviolet piloté par un accélérateur laser-plasma https://loa.ensta-paris.fr/fr/2022/12/12/un-laser-a-electrons-libres-dans-lultraviolet-pilote-par-un-accelerateur-laser-plasma/ Mon, 12 Dec 2022 14:18:20 +0000 https://loa.ensta-paris.fr/?p=6470

Un laser à électrons libres dans l’ultraviolet piloté par un accélérateur laser-plasma

Des chercheurs du groupe UPX du LOA ont contribué à une avancée majeure dans la technologie laser: un laser à électrons libres injecté dans l’ultraviolet (269 nm), et piloté par un faisceau d’électrons issu d’un accélérateur laser-plasma.

Ce projet de longue date a été dirigé par une équipe du Synchrotron Soleil, et la démonstration finale du laser à électrons libres a été faite au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, en Allemagne.

Pendant une première campagne d’expériences en «salle jaune» au LOA, les méthodes de transport du faisceau d’électrons, la génération du rayonnement ondulatoire, la génération du «seed» UV, ainsi que des diagnostiques du faisceau ont été largement testés et optimisés (publié ici et ici). Diverses méthodes permettant d’obtenir le chevauchement 3D entre le «seed» et le faisceau d’électrons ont également été testées et adaptées pour l’environnement spécifique de l’accélération laser-plasma.

Utiliser un accélérateur laser-plasma pour un laser à électrons libres a été un objectif de la communauté de la physique des accélérateurs avancés depuis 15 ans – un objectif qui est désormais atteint. Une équipe chinoise y est également arrivée récemment : [W. Wang et al., Free-electron lasing at 27 nanometres based on a laser wakefield accelerator. Nature 595, 516–520 (2021)]. Par rapport à leur résultat à plus basse longueur d’onde (27 nm) dans l’ultraviolet extrême, le laser à électrons libres démontré ici est injecté, et permet ainsi d’obtenir une meilleure cohérence et profiles temporels et spectraux.

Labat, J. Couperus Cadabag, A. Ghaith, A. Irman, A. Berlioux, P. Berteaud, F. Blache, S. Bock, F. Bouvet, F. Briquez, Y. Chang, S. Corde, A. Debus, C. De Oliveira, J. Duval, Y. Dietrich, M. El Ajjouri, C. Eisenmann, J. Gautier, R. Gebhardt, S. Grams, U. Helbig, C. Herbeaux, N. Hubert, C. Kitegi, O. Kononenko, M. Kuntzsch, M. LaBerge, S. Lé, B. Leluan, A. Loulergue, V. Malka, F. Marteau, M. Guyen, D. Oumbarek-Espinos, R. Pausch, D. Pereira, T. Püschel, J. Ricaud, P. Rommeluere, E. Roussel, P. Rousseau, S. Schöbel, M. Sebdaoui, K. Steiniger, K. Tavakoli, C. Thaury, P. Ufer, M. Valléau, M. Vandenberghe, J. Vétéran, U. Schramm and M.-E. Couprie, Seeded Free-Electron Laser Driven by a Compact Laser Plasma Accelerator, Nature Photonics (2022).

Archive ouverte HAL.

Le dispositif expérimental complexe finalement installé au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. En haut à droite est montré le spectre isolé de l’émission laser à électrons libres.
]]> Bourse ERC pour Adrien Leblanc https://loa.ensta-paris.fr/fr/2022/11/29/bourse-erc-pour-adrien-leblanc/ https://loa.ensta-paris.fr/fr/2022/11/29/bourse-erc-pour-adrien-leblanc/#comments Tue, 29 Nov 2022 12:47:09 +0000 https://loa.ensta-paris.fr/?p=6448

Bourse ERC pour Adrien Leblanc

Nous sommes heureux pour notre collègue Adrien Leblanc du groupe UPX, qui vient de recevoir une bourse de démarrage ERC !  Dans son projet EXAFIELD, il va mettre en oeuvre ses idées de recherche sur “l’approche indirecte” pour sonder les effets de champ fort en électrodynamique quantique.

Voir aussi les sites du CNRS et de l’Ecole Poytechnique pour plus de détails.

Adrien, un peu surpris par une grosse prise.
]]> https://loa.ensta-paris.fr/fr/2022/11/29/bourse-erc-pour-adrien-leblanc/feed/ 1 Huit nouveaux chercheurs au LOA https://loa.ensta-paris.fr/fr/2022/10/11/huit-nouveaux-chercheurs-au-loa/ Tue, 11 Oct 2022 07:28:12 +0000 https://loa.ensta-paris.fr/?p=6406

Huit nouveaux chercheurs au LOA

Pour la nouvelle année académique, les équipes du LOA sont renforcé par huit nouveaux doctorants et postdocs. Nous leur souhaitons la bienvenue et pleine réussite dans nos aventures scientifiques communes !

Antoine CAVAGNA, Doctorant PCO avec Rodrigo Lopez-Martens
Amélie CHIES, Doctorante APPLI avec Davide Boschetto
Juliette DUBOIS, Doctorante FLUX avec Guillaume Lambert
Camilla GIACCAGLIA, Doctorante APPLI avec Alessandro Flacco
Viktoriia ZAKHAROVA, Doctorante UPX avec Sébastien Corde
David THEIDEL, Doctorant FLUX avec Hamed Merdji
Slava SMARTSEV, Postdoc APPLI avec Jérôme Faure
Sahar ARJMAND, Postdoc FLUX, avec Hamed Merdji
]]> Faisceaux de protons à faible divergence provenant d’un accélérateur laser-plasma à une fréquence de répétition de kHz https://loa.ensta-paris.fr/fr/2022/09/27/faisceaux-de-protons-a-faible-divergence-provenant-dun-accelerateur-laser-plasma-a-une-frequence-de-repetition-de-khz/ Tue, 27 Sep 2022 12:28:01 +0000 https://loa.ensta-paris.fr/?p=6329

Faisceaux de protons à faible divergence provenant d’un accélérateur laser-plasma à une fréquence de répétition de kHz

En collaboration avec Alessandro Flacco et Igor Andriyash du groupe APPLI, ainsi qu’avec des collègues de l’Institut Weizmann des sciences, le groupe PCO a étendu ses expériences sur les miroirs à plasma à l’accélération de protons.

Ils ont pu démontrer des faisceaux de protons avec une charge par bunch allant jusqu’à 100 pC, des énergies jusqu’à 0,48 MeV et une divergence sans précédent de 3°. Cela constitue une amélioration considérable par rapport à une lacune cruciale des faisceaux d’ions typiques accélérés par laser, qui présentent des divergences plus importantes allant de 10° à 30°. En outre, cette expérience a fonctionné à une cadence de kHz, par rapport aux techniques concurrentes, pilotées par des lasers beaucoup plus grands qui fonctionnent à une fréquence de répétition ≤ 10 Hz.

Les simulations numériques approfondies sont en bon accord avec les observations et permettent aux scientifiques d’analyser théoriquement le mécanisme d’accélération, qu’ils appellent désormais l’explosion coulombienne assistée par la pression de radiation (RPACE). Les protons de surface explosent par effet de Coulomb après que la pression de rayonnement du laser ait évacué les électrons du préplasma dans la cible dense.

Jusqu’à présent, les énergies expérimentales des protons sont encore modestes, et les premières applications nécessiteraient quelques MeV. La théorie prévoit toutefois que RPACE peut être mis à l’échelle de manière réaliste pour produire de tels faisceaux de protons de quelques MeV.

Levy, I. A. Andriyash, S. Haessler, J. Kaur, M. Ouillé, A. Flacco, E. Kroupp, V. Malka, and R. Lopez-Martens, Low Divergence Proton Beams from a Laser-Plasma Accelerator at KHz Repetition Rate, Phys. Rev. Accel. Beams 25, 093402 (2022).

Figure : Dispositif experimental: Une faible préimpulsion contrôle le profil de densité à la surface du miroir plasma, avant que l'impulsion principale intense n'entraîne l'explosion de Coulomb assistée par la pression de radiation (RPACE), qui accélère des protons en un faisceau à faible divergence dans la direction normale de la cible. La cible solide en rotation permet une fréquence de répétition de kHz.
]]> Laser XUV femtoseconde dans un plasma dense pompé par collisions https://loa.ensta-paris.fr/fr/2022/07/26/laser-xuv-femtoseconde-dans-un-plasma-dense-pompe-par-collisions/ Tue, 26 Jul 2022 08:29:22 +0000 https://loa.ensta-paris.fr/?p=6312

Laser XUV femtoseconde dans un plasma dense pompé par collisions

Les lasers XUV collisionnels injectés par harmoniques sont des sources compactes capables de fournir des impulsions énergétiques avec d’excellentes propriétés spatiales. Cependant, les applications de ce type de source sont depuis longtemps limitées par leur durée d’impulsion, jusque là supérieure à la picoseconde.

En collaboration avec des chercheurs de Madrid et de Prague, des scientifiques du groupe FLUX du LOA ont démontré la réduction conséquente de la durée de l’impulsion XUV sous ce seuil grâce à l’augmentation de la densité électronique du plasma amplificateur. Il a ainsi été mesuré que la durée d’impulsion passe de 1,4 ps RMS à 4×1019 cm-3 à 520 fs RMS à 8×1019 cm-3. Cette réduction est induite par une interruption anticipée de la durée de vie du gain causée par une surionisation de l’ion lasant.

Ces mesures ont été réalisées grâce à un diagnostic temporel innovant reposant sur l’irradiation d’un miroir multicouches XUV par une impulsion pompe infrarouge intense focalisée en une ligne focale dont l’énergie est déposée progressivement dans le temps le long de cette ligne. Cette méthode originale permet de mesurer tout type de profil temporel d’impulsion XUV en un tir unique avec une résolution temporelle aussi courte que 200 fs. Les résultats expérimentaux sont en excellent accord avec les calculs Maxwell-Bloch 3D, ce qui permet de valider les codes cinétique plasma à une échelle de temps subpicoseconde.

Les simulations prédisent des durées encore plus courtes à des densités de 1020 cm-3, ouvrant la voie à de nombreuses applications nécessitant des impulsions XUV de haute intensité pour exciter ou sonder des processus ultra-rapides dans la matière à l’échelle nanométrique.

Ce travail a été publié dans :

Kabacinski et al., Femtosecond soft x-ray lasing in dense collisionaly-pumped plasma, Physical Review Research, Vol. 4, Iss. 3 (2022)

https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.4.L032009

Montage expérimental : génération du laser XUV injecté par harmoniques et mesure de son profil temporel à l'aide d'un diagnostic monotir. Le faisceau XUV arrive sur un miroir multicouches XUV (M1) avec une incidence quasi-normale. M1 est imagé par un miroir sphérique XUV (M2) sur une caméra CCD. Un faisceau infrarouge (20 mJ, 30 fs) est focalisé sur M1 en une ligne à l'aide d'un second miroir sphérique (M3). Le front d’onde de ce faisceau étant tilté par rapport à la normale de M1, le dépôt d’énergie s’effectue progressivement dans le temps le long de la ligne focale.
]]> Harmoniques élevées et émission d’électrons corrélés à partir de miroirs plasmas relativistes à une cadence de 1 kHz https://loa.ensta-paris.fr/fr/2022/07/08/harmoniques-elevees-et-emission-delectrons-correles-a-partir-de-miroirs-plasmas-relativistes-a-une-cadence-de-1-khz/ Fri, 08 Jul 2022 12:09:12 +0000 https://loa.ensta-paris.fr/?p=6276

Harmoniques élevées et émission d’électrons corrélés à partir de miroirs plasmas relativistes à une cadence de 1 kHz

Le groupe PCO a publié une série de résultats expérimentaux qui fournissent des preuves claires pour la première observation de la génération d’harmoniques élevées de surface (SHHG) relativiste à partir de miroirs plasmas à une cadence laser de 1 kilohertz. Cette application extrêmement exigeante en termes de performance laser dépend de façon critique de la qualité spatio-temporelle des impulsions et du contraste temporel et n’avait jusqu’alors été démontrée avec des tirs isolés de lasers beaucoup plus grands, fonctionnant à une cadence ≤ 10 Hz.

En faisant varier de manière contrôlée à l’échelle nanométrique le gradient de densité sur la surface du miroir de plasma, on constate que cette émission est corrélée à celle d’électrons énergétiques. Pour la première fois, ce phénomène a été étudié en détail pour trois impulsions lasers de plus en plus courtes et intenses, avec le constat que l’interaction relativiste laser-plasma est à chaque fois optimisée pour les mêmes gradients de densité. Cette universalité est expliquée par la façon dont le laser pousse les électrons du plasma plus profondément dans le gradient, de sorte qu’un laser plus intense interagit effectivement avec un plasma plus dense. Il s’avère que cela se produit de telle manière que les conditions optimales se produisent toujours pour la même longueur d’échelle de gradient de densité.

Ces résultats nous rapprochent considérablement de sources utiles de puissantes impulsions lumineuses attosecondes provenant de miroirs à plasma pilotés par laser ultra-intense.

Haessler, M. Ouillé, J. Kaur, M. Bocoum, F. Böhle, D. Levy, L. Daniault, A. Vernier, J. Faure, and R. Lopez-Martens, High-Harmonic Generation and Correlated Electron Emission from Relativistic Plasma Mirrors at 1 kHz Repetition Rate, Ultrafast Science 2022, 9893418 (2022).

Figure : Mesure synchrone de l'émission d’harmoniques élevées (en haut) et d'électrons (en bas) en fonction de la longueur d'échelle du gradient de densité du plasma pour une impulsion laser de 4 fs.
]]> Hamed Merdji et Marta Fajardo récompensés pour leur coopération de recherche https://loa.ensta-paris.fr/fr/2022/07/05/hamed-merdji-et-marta-fajardo-recompenses-pour-leur-cooperation-de-recherche/ Tue, 05 Jul 2022 07:36:19 +0000 https://loa.ensta-paris.fr/?p=6247

Hamed Merdji et Marta Fajardo récompensés pour leur coopération de recherche

Nous félicitons chaleureusement notre collègue Hamed Merdji, qui a récemment rejoint le groupe FLUX, à qui l’Académie des Sciences a décerné le Prix tremplin Mariano Gago de coopération bilatérale en recherche – Portugal 2022. Le 21 juin 2022, il a reçu le prix avec sa collaboratrice Marta Fajardo de l’Instituto Superior Tecnico, Lisbonne, pour leur projet commun “NanoXIMAGES”.

Les deux collègues se connaissent depuis qu’ils étaient doctorants ensemble à l’Ecole Polytechnique, comme on peut lire dans le fil d’actualité de l’Ecole.

Ce projet renforcera la coopération franco-portugaise, déjà en cours dans le cadre du projet “NanoXCAN” financé par le programme Pathfinder du Conseil européen de l’innovation, qui vise le développement d’un microscope à rayons X pour l’imagerie de virus à l’échelle nanométrique.

]]> Des faisceaux d’électrons GeV de haute qualité à partir d’un guide d’ondes plasma entièrement optique https://loa.ensta-paris.fr/fr/2022/06/28/des-faisceaux-delectrons-gev-de-haute-qualite-a-partir-dun-guide-dondes-plasma-entierement-optique/ Tue, 28 Jun 2022 13:43:48 +0000 https://loa.ensta-paris.fr/?p=6216

Des faisceaux d’électrons GeV de haute qualité à partir d’un guide d’ondes plasma entièrement optique

Les accélérateurs laser-plasma produisent et exploitent des champs électriques extrêmement puissants, ce qui pourrait permettre de défier les accélérateurs de particules conventionnels de plusieurs kilomètres de long. Malgré cette promesse et après des décennies de développement, cette technologie manque toujours d’une solution pour fournir simultanément une énergie élevée, une grande stabilité et une bonne qualité de faisceau.

Une équipe de scientifiques du groupe UPX du LOA et de l’Institut des sciences Weizmann a trouvé une telle solution, basée sur un guide d’ondes de plasma généré par laser dans une cible gazeuse de forme dense permettant l’injection contrôlée d’électrons dans le champ de sillage accélérateur.

Figure | Vue schématique de l'expérience et des principaux diagnostics. Le laser est divisé en trois faisceaux distincts : P1 – impulsion accélératrice, P2 - impulsion générant le guide d'ondes, et P3 - faisceau sonde. Les deux faisceaux principaux, P1 et P2, sont foca-lisés dans un jet de gaz rectangulaire de 15 mm de long. P2 est focalisé dans la cible par une axiparabole f/4, 2 ns avant P1. P1 est focalisé par un miroir sphérique f/18. Il accélère des paquets d'électrons dont l'énergie est ensuite analysée avec un spectromètre composé d'un aimant dipôle, d'un écran scintillant LANEX et d'une caméra 16 bits (a). Il est finalement atténué pour imager son point focal après interaction (b). P3 traverse le plasma transversa-lement, juste après P1 (c). Il est ensuite envoyé vers un capteur de front d'onde pour mesu-rer le profil de densité transversal.

Ce schéma simple et polyvalent a permis de produire des faisceaux d’électrons au niveau GeV, avec une qualité et une efficacité sans précédent. N’étant pas susceptible aux dommages aux dommages optiques, cet accélérateur peut être utilisé avec des énergies laser et des taux de répétition arbitrairement élevés, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour la réalisation d’accélérateurs de haute énergie ultra-compacts.

Figure | Accélération de faisceaux d'électrons de haute qualité. a, Dix spectres d'électrons à résolution angulaire triés par charge. b, Deux exemples de spectres intégrés angulairement correspondant aux spectres marqués par des lignes bleues et vertes en (a).

Ce travail est publié dans l’article

Kosta Oubrerie, Adrien Leblanc, Olena Kononenko, Ronan Lahaye, Igor A. Andriyash, Julien Gautier, Jean-Philippe Goddet, Lorenzo Martelli, Amar Tafzi, Kim Ta Phuoc, Slava Smartsev, and Cédric Thaury, Controlled Acceleration of GeV Elec-tron Beams in an All-Optical Plasma Waveguide, Light Sci. Appl. 11, 1 (2022).

Archive ouverte HAL.

Plus de détails peuvent être trouvés dans l’article de l’Institut de Physique du CNRS.

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