Modélisation de l'auto-focalisation pondéromotrice d'une impulsion laser dans un plasma avec un code hydrodynamique dans le cadre de la fusion par confinement inertiel en attaque directe

Abstract

L'auto-focalisation laser due à la force pondéromotrice constitue un obstacle au succès du programme de fusion par confinement inertiel (FCI) car elle augmente localement l'intensité laser, qui provoque deux effets néfastes: i) diminue l'uniformité de l'onde de choc lancée dans la cible, et ii) accroit la probabilité d'excitation des instabilités paramétriques. Bien que plusieurs techniques optiques aient été mises en œuvre pour atténuer les effets pondéromoteurs, ils restent une préoccupation en cas de croisement de faisceaux ou d'interaction avec une intensité laser élevée comme dans l'allumage par choc.Afin d'améliorer la capabilités interprétatives des codes hydrodynamiques, un module appelé Paraxial Complex Geometrical Optics (PCGO) a été implémenté dans le code hydrodynamique CHIC en géométrie plane bidimensionnelle : une telle méthode est une version améliorée de la technique standard du Ray-Tracing (RT). PCGO tient compte de l'interaction non linéaire laser-plasma telle que la force pondéromotrice et la génération et la propagation d'électrons chauds, généralement négligés dans les simulations hydrodynamiques. Cette approche est également utilisée pour créer des faisceaux laser spatialement modulés par superposition de faisceaux gaussiens PCGO : l'enveloppe d'intensité de ces faisceaux génère des fluctuations d'intensité (`` speckles '') en champ lointain. Bien que cette méthode basée sur PCGO ait amélioré la précision des simulations CHIC, la superposition de faisceaux PCGO produit des speckles laser plus grands et plus longs que dans les expériences, et leur auto-focalisation peut être surestimée.Dans cette thèse, nous développons une méthode pour décrire et contrôler l'auto-focalisation pondéromotrice des speckles dans un plasma stationnaire en utilisant CHIC avec PCGO. Dans un premier temps, nous étudions l'auto-focalisation d'un faisceau PCGO gaussien dans un plasma homogène non absorbant en comparant son comportement à un faisceau de forme gaussienne modélisé avec le code électromagnétique HARMONY. Nous montrons que jusqu’à 4 fois la puissance critique, PCGO reproduit correctement les résultats d'HARMONY.Ensuite, nous considérons l'auto-focalisation d'un speckle PCGO créé par superposition de plusieurs sous-faisceaux, appelé `` multi-beamlet speckle ''. Ce speckle représente une référence pour tout speckle PCGO créé dans CHIC. Nous considérons deux stratégies pour la mise en forme du speckle à faisceaux multiples: aléatoire et régulière. Cette dernière configuration permet d’obtenir de meilleures performances pour contrôler et réduire les effets pondéromoteurs pour un nombre de faisceaux égal à trois.Cette nouvelle configuration a été implémentée dans CHIC et utilisée pour générer des faisceaux multi-speckle dont la distribution des intensités des speckles obéit à une loi exponentielle. Nous avons ensuite étudié l'auto-focalisation d'un faisceau modulé spatialement (faisceau multi-speckle) dans un plasma homogène non absorbant et montré que notre configuration de speckles permet de traiter correctement les effets pondéromoteurs pour différentes intensités laser: cette méthode décrit la modification des statistiques d'intensité de speckle induite par auto-focalisation du speckle et l'interaction entre speckles comme c'est observé dans des simulations électromagnétiques de référence.La dernière partie de la thèse est consacrée à établir une base pour la modélisation de l'autofocalisation laser dans des conditions FCI réelles. A cet effet, nos résultats sont étendus aux plasmas absorbants dont la densité présente un profile linéaire. L'auto-focalisation est étudiée ici pour différentes longueurs de plasma, et l'effet de l'absorption laser est discuté. Il est démontré que la méthode proposée pour la création d'un distribution de speckles à faisceaux multiples fonctionne dans les conditions pertinentes pour l'ICF à entraînement direct.