Kinetic study of the wave coupling dynamics with spatially smoothed laser beams

Étude cinétique de la dynamique du couplage d'onde en présence de faisceaux laser lissés spatialement Les expériences de fusion par confinement inertiel sur les grandes installations laser, telles que le LMJ à Bordeaux ou le NIF aux États-Unis, nécessitent la propagation des lasers à travers des plasmas de grandes tailles (plusieurs millimètres). Un grand nombre d'instabilités dites de couplages d'ondes peuvent apparaître, et diffusent la lumière dans une direction différente de l'onde électromagnétique incidente. En particulier, les diffusions arrières Raman et Brillouin, ainsi que l'échange d'énergie entre faisceaux laser en résultent. Des techniques dites de lissage optique sont utilisées pour tenter de réduire ces phénomènes. Les faisceaux, une fois lissés, sont constitués de nombreux points chauds micrométriques nommés speckles. Lors de ces expériences, les faisceaux, focalisés autour d'une cible, vont être amenés à se croiser.Le couplage de deux ondes électromagnétiques cohérentes dans un milieu non-linéaire (le plasma), peut induire un échange d'énergie entre les faisceaux. Le croisement des lasers crée un réseau d'interférences, où la force pondéromotrice expulse les électrons. Les ions suivent les électrons à cause de la force de rappel électrostatique. Cela crée une modulation de densité, ou onde acoustique, qui diffracte les ondes électromagnétiques d'un faisceau vers l'autre. Cet échange, nommé Cross-beam Energy Transfer (CBET) a lieu si les lasers ont des fréquences différentes, ou si ces dernières sont égales mais que le plasma est en mouvement dans la direction de l'onde acoustique. Nous avons montré que, bien que ces deux situations soient souvent considérées comme équivalentes dans les modèles hydrodynamiques, elles sont en réalité différentes. Ceci est dû au fait que l'échange est communément calculé en considérant les faisceaux laser comme des ondes planes, c'est-à-dire en négligeant le lissage laser. Afin de démontrer cette non-équivalence, nous avons, dans un premier temps, étudié une situation académique, en considérant le croisement de deux faisceaux lasers constitués chacun de 4 speckles Gaussiens. Différentes simulations ont été effectuées grâce à un code cinétique "particle-in-cell", résolvant les équations de Vlasov et de Maxwell. Les simulations ont montré que lorsque l'interaction est induite par un plasma en mouvement, les modèles du type onde plane sont en mesure de prédire l'échange entre les faisceaux Gaussiens. Au contraire, lorsque l'échange est induit par des fréquences laser différentes, ces modèles surestiment le transfert d'énergie. Nous avons aussi mis en évidence deux configurations distinctes dans le cas où les fréquences laser sont différentes. Dans la première situation, les ondes acoustiques issues de différents croisements de speckles sont en phase, et une interférence constructive résulte de leur interaction. Dans l'autre situation, les ondes sont déphasées ce qui donne une interférence destructive. Nous avons montré que, bien que l'échange soit plus important dans la situation en phase, il demeure inférieur au cas flot de plasma. Le déphasage n'est donc pas la seule cause de la différence entre une interaction avec ou sans flot. Nos résultats ont été obtenus en considérant un plasma faiblement amorti, où l'onde acoustique se propage et peut rencontrer plusieurs croisements de speckles avant que son amplitude n'ait significativement décru. Dans un second temps, nous avons considéré une situation plus proche de celle d'un croisement de faisceaux lissés. Nous avons calculé exactement le champ d'un faisceau laser lissé, ce qui a permis d'effectuer des simulations plus précises et de construire un modèle tenant compte de la structure réelle des speckles. Les résultats précédents ont été confirmés, même dans le cas d'un plasma fortement amorti. Nous avons également pu montrer que les conditions de résonance permettant au transfert d'énergie d'avoir lieu sont elles aussi affectées par le lissage laser. En particulier, le lissage spatial augmente la largeur de résonance.