Le CEA est en charge de la construction du Laser MégaJoule (LMJ) qui permettra d’étudier les conditions de fusion nucléaire. Pour cela, il faut produire des impulsions laser nanoseconde dans l’UV (351 nm) qui s’obtiennent par l’utilisation de cristaux diélectriques convertisseurs de fréquence (KH2PO4 ou KDP) et de composants optiques en silice (SiO2). Cependant, sous l’effet du champ laser intense, il a été montré expérimentalement que ces matériaux diélectriques s’endommagent au-delà d’une certaine densité d’énergie, modifiant ainsi de manière irréversible les propriétés diélectriques de la matière. Afin d’augmenter la durée de vie de ces composants optiques sur chaîne laser, il est nécessaire de comprendre les processus donnant lieu à l’absorption de l’impulsion laser lors de sa propagation, ce qui fait l’objet d’études de notre groupe de travail au CELIA.
En substance, le mécanisme d’absorption, issu de processus microscopiques, est comme suit. Dans un premier temps, des électrons de valence sont promus en bande de conduction par absorption multiphotonique ou effet tunnel. Quelques uns de ces porteurs de charges absorbent ensuite l’énergie laser, et la répartissent sur l’ensemble des électrons de conduction par des processus collisionnels. Dans le même temps, l’énergie des électrons est transférée au réseau, induisant localement une élévation de température du matériau, puis un dommage si le dépôt d’énergie est suffisant. L’ensemble de ces processus microscopiques a lieu lors de la propagation de l’impulsion laser dans le matériau. Ainsi, dynamique électronique et propagation de l’impulsion sont couplées.
Afin de se placer dans les conditions d’amorçage de l’endommagement et de simplifier l’étude (non prise en compte de l’hydrodynamique résultant du dépôt d’énergie), les études menées au CELIA se concentrent sur des temps d’interaction femtoseconde. Dans ce cadre, des modèles de propagation sophistiqués ont déjà été développés au sein du groupe, mais n’incluent qu’une description macroscopique (moyennes) des modifications des propriétés diélectriques du matériau due à la dynamique électronique. Il en résulte une mauvaise description des premiers instants de l’irradiation. Récemment, sur la base de modèles cinétiques proposés dans la littérature, des premiers travaux concernant un couplage consistant entre ces processus microscopiques et la propagation du faisceau laser ont été réalisés au CELIA. Cependant, ces approches restent limitées à des résultats qualitatifs (propagation 1D, modèles microscopiques simplifiés, etc) et doivent être améliorées afin de rendre compte de résultats expérimentaux résolus en temps.
Dans un premier temps, ce travail de thèse consistera à mettre en place un modèle cinétique permettant de décrire les processus microscopiques : l’évolution de la densité d’électrons de conduction et leur distribution en énergie durant l’interaction laser. Ce modèle, prenant en compte les interactions électron-électron et électron-phonon, permettra de caractériser les différents temps de relaxations électroniques (répartition de l’énergie électronique et chauffage du réseau) en fonction des paramètres de l’impulsion incidente. Dans un second temps, ce modèle sera implémenté dans un code de propagation résolvant les équations de Maxwell en 1D, 2D, et 3D. Ce couplage permettra d’évaluer le dépôt d’énergie et de simuler l’évolution temporelle des propriétés diélectriques du matériau. Les résultats obtenus lors de ces travaux théoriques seront comparés à des résultats expérimentaux résolus en temps. Cette comparaison permettra de valider les modèles et d’obtenir des constantes fondamentales décrivant l’interaction laser-diélectrique.
Le candidat devra avoir suivi une formation en physique ou mathématiques appliquées, et des connaissances en programmation sont souhaitées. Il intégrera un groupe du CELIA travaillant sur l’interaction laser-matière tant du point de vue théorique qu’expérimental.

Encadrants :

Guillaume Duchateau, Benoît Chimier, Antoine Bourgeade (HDR)

Contacts :

duchateau@celia.u-bordeaux1.fr ou 05 4000 37 73 chimier@celia.u-bordeaux1.fr ou 05 4000 37 74