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Etude théorique et expérimentale des propriétés radiatives des plasmas en utilisant un laser X à électrons libres

publié le

Directeur de thèse : A. Calisti (annette.calisti univ-amu.fr)
Co-encadrant : C. Mossé (caroline.mosse univ-amu.fr)

Description du sujet :
Un obstacle majeur à l’analyse spectroscopique des plasmas chauds et denses, a été l’incapacité de les sonder in situ à cause de l’altération de la propagation de la lumière à des densités élevées, de l’évolution temporelle rapide et des gradients spatiaux que présentent ces milieux. Les sources de lumière de 4ème génération (laser à électrons libres XFEL), grâce à leurs courtes durées d’impulsions (fs) et leurs courtes longueurs d’onde ajustables (XUV), permettent non seulement de créer des plasmas à des densités supérieures à 1022 cm-3 mais aussi d’envisager la réalisation d’expériences de spectroscopie non linéaire à deux photons. Les mécanismes physiques mis en jeu dans la formation d’un plasma et les détails de la cinétique atomique peuvent être révélés au moyen d’un laser de pompe pour peupler de manière sélective les niveaux atomiques fournissant ainsi une possibilité de redistribution du rayonnement émis. De nombreux aspects de la spectroscopie des plasmas ont été sévèrement limités par le manque de données. La réalisation d’expériences de spectroscopie active dans les plasmas chauds et denses fournira une avancée majeure dans le développement de notre compréhension de la formation des raies spectrales, des déplacements des niveaux d’énergie, du transfert de rayonnement, et de la cinétique des processus détaillés.
Dans ce contexte, nous envisageons de réaliser pour la première fois, une expérience de photo pompage de plasmas chauds et denses, dans laquelle après avoir créé un plasma en utilisant un laser à haute énergie, une transition radiative est pompée sélectivement avec la source XFEL, pour observer et étudier la redistribution radiative sur cette raie et remonter par comparaison aux modèles théoriques, à la dynamique du plasma (dynamique des ions, collisions inélastiques, termes d’interférence, etc.). La réussite de ce projet nécessite la mise en commun de compétences diverses tant sur le plan théorique qu’expérimental. L’équipe « Physique Atomique et Transport dans les Plasmas » du laboratoire PIIM développe depuis de nombreuses années des modèles de physique atomique spécialisée pour la spectroscopie des plasmas qui permettent de jouer un rôle moteur dans ce projet. Dans ce travail, le doctorant sera amené à participer aux expériences ainsi qu’à l’interprétation des résultats expérimentaux et aux développements théoriques associés.
Références bibliographiques :
[1] C. Mossé, A. Calisti, R. Stamm, B. Talin, R.W. Lee, J. Koch, A. Asfaw, J. Seely, J. Wark
and L. Klein, X-Ray Laser photopumped resonance fluorescence, Journal of Quantitative
Spectroscopy and Radiative Transfer 58, 803 (1997)
[2] C. Mossé, A. Calisti, R. Stamm, B. Talin, R.W. Lee and L. Klein, Redistribution of
resonance radiation in hot and dense plasmas, Phys. Rev. A 60, 1005 (1999)
[3] R.W. Lee, Creating and probing extreme states of matter with an X-Ray FEL, TESLA
Colloquium 2001
[4] E. Galtier, F. B. Rosmej, A. Calisti, B. Talin, C. Mossé, S. Ferri, V.S. Lisitsa, Interference
effects and Stark broadening in XUV intrashell transitions in aluminum under conditions of
intense XUV free-electron-laser irradiation, Phys. Rev. A 87, 033424 (2013)