Etude théorique de l'interaction entre une impulsion laser intense et un agrégat de gaz rare

The irradiation of nanometer-scale rare gas clusters by a short (a few hundreds of femtoseconds) and intense (I>10^{15} W/cm2) laser pulse yields multi-keV short X-ray bursts. We employ an hydrodynamic model, the so-called "nanoplasma model", to understand the mechanisms that tailor the interaction. In this model, the cluster is treated as a dielectric sphere embedded in the quasistatic laser field leading to the formation of a plasma of nanometric size. We have shown that this model cannot reproduce the experimental results such as the high ionization states and associated X-ray spectra. We have thus included in the model two additional mechanisms that significantly improve the ionization dynamics : - We have introduced high order ionization processes involving intermediate excited states X^{q+} + e- -> X^{q+*} +e- -> ... -> X^{(q+1)+} +2 e-. We have used a model potential approach to describe the electronic structure of the cluster's ions (and atoms), and we have computed the total excitation and ionization cross-sections in the distorted-wave Born approximation. - We have studied the influence of screening phenomena induced by the electronic density on the interaction dynamics. By using a sophisticated potential, we have shown that screening effects enhance ionization and lower excitation cross sections with respect to the unscreened data.The improved nanoplasma model allows us to reproduce the populations of highly charged states experimentally observed, and the variation of argon He_alpha emission with respect to the various experimental parameters (cluster's size, laser pulse duration, intensity and wavelength). We have further computed time- and energy-resolved X-ray spectra which emphasize ultra-short emission duration (less than 100 fs), and therefore indicate that cluster-based X-ray sources are adequate to ultrafast X-ray science applications.L'irradiation d'agrégats de gaz rare de taille nanométrique par une impulsion laser brève (quelques centaines de femtosecondes) et intense (I>10^{15} W/cm2) génère un rayonnement X (multi-keV) de courte durée. Afin de comprendre et modéliser les mécanismes mis en jeu dans ce type d'interaction, nous avons repris un modèle hydrodynamique existant, le modèle "nanoplasma", où la cible est considérée comme une sphère diélectrique irradiée par le champ laser quasistatique, produisant un plasma de taille nanométrique. Nous avons cependant démontré que le modèle en l'état ne pouvait reproduire les résultats expérimentaux tels que les importants degrés d'ionisation observés et les spectres X associés. Nous avons alors inclus dans le modèle deux mécanismes supplémentaires qui améliorent significativement la dynamique d'ionisation: - Nous avons introduit des processus d'ionisation d'ordres supérieurs en incluant des états excités intermédiaires X^{q+} + e- -> X^{q+*} +e- -> ... -> X^{(q+1)+} +2 e-. Nous avons pour cela utilisé une approche potentiel modèle pour décrire la structure électronique des ions (ou atomes) de l'agrégat et nous avons évalué les sections efficaces totales d'excitation et d'ionisation collisionnelles suivant le formalisme des ondes distordues. - Nous avons étudié l'influence des phénomènes d'écran induits par la densité d'électrons libres sur la dynamique de l'interaction. A l'aide d'un potentiel d'écran sophistiqué, nous avons montré que les effets d'écran augmentent les sections totales d'ionisation et réduisent les sections d'excitation par rapport aux données non écrantées. Le modèle nanoplasma amélioré permet à présent de reproduire les populations d'états de charge très élevés observées expérimentalement ainsi que la variation de l'émission He_alpha provenant d'agrégats d'argon en fonction des différents paramètres de l'interaction (durée d'impulsion, taille d'agrégat, éclairement crête, longueur d'onde). Nous avons également simulé les spectres d'émission X résolus en temps et en énergie. Ces spectres indiquent une durée d'émission ultra-brève (inférieure à 100 fs), et confirment ainsi que l'interaction laser-agrégat est une source de rayonnement utilisable dans le cadre d'applications à la science X ultra-rapide