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Faits d’actualité

Emission de rayons X lors de l’interaction laser - agrégat

Décembre 2008

La dynamique de la réponse électronique a été étudiée avec précision, ce qui a conduit à l’identification de nouveaux mécanismes de chauffage. Le fort champ électrique transitoire, induit par l’effet combiné de la polarisation de l’agrégat et de l’augmentation de sa charge électrique, permet d’accélérer fortement les électrons quasi libres présents au sein de l’agrégat. Ils transmettent alors, à leur tour, toute leur énergie aux ions de l’agrégat qui se relaxent en émettant des « flashs » intenses de rayons X. Pour la première fois, un accord quantitatif des taux absolu de photons X est obtenu entre la théorie et l’expérience.

Nous avons étudié, tant expérimentalement que théoriquement, l’influence de l’intensité laser et de la durée d’impulsion sur l’émission de rayons X provenant d’agrégats d’argon soumis à des impulsions laser intenses et courtes. Cette émission X provient de la désexcitation d’ions multichargés (de l’Ar12+jusqu’à l’Ar16+) ayant un trou en couche K. Ces lacunes sont produites par impact électronique et la spectroscopie de rayons X agit, par conséquent, comme un thermomètre microscopique « in situ » des électrons chauds, sondant les électrons ayant une énergie plus grande que l’énergie de liaison des électrons K (pour l’argon E> 3 keV). De plus, les états excités responsables de l’émission X ayant des durées de vie comparables à la durée d’impulsion laser (quelques dizaines de fs), la spectroscopie de rayons X est également une sonde temporelle ultra-courte de la dynamique d’interaction. Les taux absolus de photons X sont gouvernés non seulement par la dynamique collisionnelle au sein d’un agrégat mais également par l’évolution du volume focal effectif avec l’intensité laser. Ce volume focal effectif est proportionnel au nombre d’agrégats soumis à une intensité laser supérieure à celle qu’il est nécessaire d’atteindre pour produire des rayons X.

En utilisant une approche de type « champ moyen » incluant les effets à Ncorps et basée sur des simulations MonteCarlo, le mode efficace de chauffage des électrons jusqu’à des énergies de l’ordre du keV a clairement été identifié. L’action combinée de l’augmentation de charge de l’agrégat et de sa polarisation pendant l’interaction exalte le champ électrique aux pôles de l’agrégat et permet d’accélérer fortement les électrons même à des intensités laser inférieures à 1015 W/cm2. La dépendance des taux absolus de photons X en fonction de l’intensité laser et de la durée d’impulsion sont reproduits quantitativement par nos simulations. Par ailleurs, à grande intensité laser, les distributions en état de charge des ions ayant une lacune en couche K et émettant des rayons X sont très bien reproduites par notre approche théorique ; la production d’états de charge élevés, jusqu’à l’Ar16+, montre que l’épluchage en couche L des atomes d’argon est aussi extrêmement efficace.

(c) INSP

Potentiel électrostatique total à l’intérieur et au voisinage des bords de l’agrégat (trait continu vert) et champ électrique correspondant projeté dans le plan (rayon de l’agrégat - axe de polarisation du laser) à un instant t donné de l’interaction. À l’intérieur de l’agrégat, le champ laser est écranté tandis qu’au niveau des pôles (côté gauche sur la figure) le champ électrique est exalté dû à l’action combinée de l’augmentation de charge de l’agrégat et à sa polarisation dynamique dans le champ laser oscillant (a.u. pour unité atomique).

(c) INSP

Évolution du champ électrique total à l’intérieur et au voisinage des bords de l’agrégat (lignes pointillées verticales) et mouvement correspondant des électrons dans l’espace des phases (z, vz) lors d’un cycle laser durant l’interaction (z étant l’axe de polarisation du laser). La production et l’évolution d’un sous-ensemble d’électrons rapides est clairement visible et est dû à l’action combinée de l’augmentation de charge de l’agrégat et à sa polarisation dynamique dans le champ laser oscillant (a.u. pour unité atomique).

La compétition entre les mécanismes de chauffage et le mouvement des ions (i.e. l’expansion de l’agrégat) a été étudiée en modifiant la durée de l’impulsion laser. Le seuil en intensité pour la production de rayons X diminue pour les grandes durées d’impulsion jusqu’à atteindre des valeurs correspondant à l’intensité « seuil » pour ioniser les tous premiers électrons de l’argon neutre par effet de champ (Optical Field Ionization). Pour des durées relativement courtes (jusqu’à 100 fs), la probabilité d’ionisation en couche interne est trouvée insensible à la dynamique des ions, tandis que pour les durées d’impulsion plus grandes, l’expansion de l’agrégat joue un rôle significatif.

Enfin, en gardant l’énergie par impulsion laser constante, nous avons observé une durée d’impulsion optimale pour laquelle le taux de photons X est maximum. Cet optimum n’étant pas influencé par la taille des agrégats, nous pouvons rejeter l’influence d’une résonance de type nanoplasma lors de l’interaction. En revanche, nous expliquons l’existence de cette durée d’impulsion optimale par une compétition entre le volume focal effectif (i.e. le nombre d’agrégats émetteurs de rayonnement X) et la dynamique d’ionisation en couche interne par agrégat. En terme d’applications potentielles, ces résultats démontrent que le taux absolu de photons X peut être augmenté significativement en défocalisant le faisceau laser sur tout le volume focale effectif et en ajustant la durée d’impulsion à sa valeur optimale autour d’une centaine de femtosecondes.

Pour en savoir plus

Effect of pulse duration on the x-ray emission from Ar clusters in intense laser fields
Christophe Prigent, Emily Lamour, Jean-Pierre Rozet, Dominique Vernhet, Cornelia Deiss, Joachim Burgdörfer Physical Review A : Atomic, Molecular and Optical Physics 78, 5 (2008) 053201

Egalement dans « Virtual Journal of Ultrafast Science ». Décembre 2008, rubrique « High field physics ».