ONDES DE SURFACE DANS L’INTERACTION LASER ULTRA COURT ET INTENSE - METAL

1. ONDES DE SURFACE DANS L’INTERACTION LASER ULTRA COURT ET INTENSE - METAL Michèle Raynaud Laboratoire des Solides Irradiés, CEA-CNRS-Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau, France En collaboration avec: J. C. Adam et A. Héron, CPHT, Ecole Polytechnique G. Geoffroy et M. Perdrix, CEA-SACLAY, DSM/IRAMIS/SPAM, P. Martin, CELIA, Université Bordeaux 1, C. Riconda, PAPD/LULI, Université Paris 6,

2. y métal Exsp x /c k ksp  Ondes de surface dans un métal: ♦Se caractérisent par un champ électrique intense, évanescent et localisé à l’interface métal-vide ♦Oscillations collectives haute-fréquence du gaz d’électrons qui se propagent le long de l’interface métal-vide ♦ Modes propres d’oscillation du gaz d’électrons à la fréquence sp: Peuvent être excitées par une onde laser en polar p à condition d’introduire un terme d’impulsion supplémentaire qui permette de conserver l’impulsion: par exemple en utilisant une surface modulée périodiquement (de période a) : ksp= k0sin + 2/a a,  choisi  un seul angle pour lequel la condition de résonance est satisfaite ♦ Mécanisme efficace d’absorption : jusqu’à 90% d’absorption de la lumière ♦ Augmentation importante du rendement photoélectrique

3. Incident p-polarized Laser Pulse 0=800 nm Magnetically-shielded high vacuum (10-8 mbar) chamber Electron Multiplier e- Metallic Grating Target e- e- Eo Au (150 grooves/mm) k0 k0 ko Polarisation s Polarisation p x EL q EL n Courant total photoémis en présence d’une onde de surface: Seule polarisation qui permet d’exciter l’onde de surface Signal électronique en fonction de l’angle d’incidence du laser: Signal électronique en fonction de l’intensité laser, i=65°:  Pente 4, en accord avec le bilan photoélectrique: Ws=5.1eV, hν=1.55 eV • il existe un maximum d’émission à 65° d’incidence en polarisation p • 40% d’aborption en p (20% en s) le processus d’émission reste de nature photoélectrique en présence de l’onde de surface

4. Laser, incidence oblique  et polar p : h=1.55 eV (=800nm, =2.3 1015 rad/s) y Métal Or Ws=5.1eV pe~ 4x1015 rad/s Effet Photo-électrique multiphotonique (4 photons) : E = nh - Ws = 4 x 1.55 – 5.1  1 eV x VIDE Ext. Spatiale  600nm Esp = Chp inhomogène HF // x Force Pondéromotrice // à x: Fp = -x (Usp)= - x (e2 Esp2 / 4mω2 ) Photoémission en présence d’une onde de surface, ce qui change… Accélération des électrons photo-émis: Ec,final= Usp + 2Usp(vi/vosc-cosφ )2 • Le gain en énergie dépend du temps passé par l’électron dans le champ du SP:  Courte durée d’impulsion  accélération faible •  Grande durée d’impulsion  forte accélération ex: Ilaser = 109W/cm2 , Esp = 200EL , Usp = 2.4 eV Pour un temps d’interaction suffisamment long de l’e-, ~ 600 fs à 109W/cm2 Ec,final min = Usp et Ec,final min= 3 Usp + 23/2 ( E Usp )1/2~ 12 eV !  Le spectre se déplace et s’élargit

5. Effet d’accélération des photoélectrons émis en présence d’une onde de surface: cas d’un réseau d’or (laser LUCA, 2 109W/cm2, 800nm, = R= 66°) laser  à intensité laser constante: le spectre se déplace: effet pondéromoteur et s’élargit: effet de phase initiale laser > 800fs, les collisions électrons-phonons commencent à amortir le plasmon de surface, l’énergie J. Kupersztych, P. Monchicourt and M. Raynaud, Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 5180; J. Kupersztych and M. Raynaud, Phys. Rev. Lett. 95 (2005) 147401

6. 266 nm λ/2 800 nm Time delay line Magnetically-shielded high vacuum (10-8 mbar) chamber Compressor Gold grating target Lens λ/2 Lens Time-of-flight spectrometer 3ω Les effets pondéromoteurs qui accélèrent les électrons photoémis sont-ils les seuls effets auxquels on peut s’attendre en présence d’une onde de surface ? Excitation d’une onde de surface avec un laser ultra court et intense  modification transitoire de la distribution de Fermi du métal Etude de la dynamique de relaxation du gaz d’électrons en présence d’une onde de surface  mesures pompe-sonde à 2 couleurs:1ère étude: 800nm + 266nm, 50fs  Laser LUCA CEA/Saclay • le laser « pompe » excite l’onde de surface à 800 nm (i= 65°) et crée une population d’électrons chauds hors d’équilibre • le laser à 266 nm sonde cette population d’électrons en fonction du délai temporel entre les deux impulsions

7. Excitation de l’onde de surface avec le 800nm (~1010W/cm2): forte accélération des électrons  Estimation du potentiel pondéromoteur: Ecmin = Usp + E ~ 14.5eV  Usp = 13.4eV  Energie cinétique maximale attendue: Ecmax = 3Usp + 22/3 (E Usp)1/2 = 51eV Valeur expérimentale ~48eV ECmin Ecmax Emission électronique en présence de l’onde de surface à 800 et 266nm: ∆t=0, les électrons photo-ionisés avec le 266nm ont une énergie cinétique de 4.2 ev (Ws-2hν).Durant leur interaction avec le champ de l’onde de surface excitée par le 800nm, ils devraient acquérir une énergie cinétique maximale de:3Usp + 22/3 (E Usp)1/2 = 61eVOn observe des électrons de 68eV  électrons qui avaient une énergie cinétique initiale plus grande  l’excitation d’un SP modifie la fonction de distribution du gaz d’électron dans le solide 800nm 800 + 266nm, delay=123fs 800 + 266nm, delay=0 E’cmax 266nm

8. IR + HHG at zero delay HHG probe Résultats préliminaires IR pump Emission électronique en présence d’une onde de surface en fonction du délai entre les 2 impulsions laser : • En présence de l’onde de surface, temps de relaxation long ~60 à 100fs • à comparer aux temps de relaxation obtenus dans l’Or polycristallin ~35 à 10fs /1/  Expériences en cours.. Se poursuivent ..  bati de Photoémission du CELIA: à 266nm + avec la génération d’harmonique  VUV /1/ M. Aeschilimann, M. Bauer and S. Pawlik, Chem. Phys. 205 (1996) 127

9. Autres Perspectives : Idée: augmenter l’énergie des photoélectrons en augmentant IL tout en diminuant L Travaux ultérieurs sur l’or et l’argent en présence d’onde de surface:  Electrons de 400 eV à 1013W/cm2 J. Zawadzka, D. Jaroszynski, J. Carey and K. Wynne, Appl. Phys. Lett. 79 (2001) 2130 S. E. Irvine, A. Dechant and A. Y. Elezzabi, Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 184801 S.E. Irvine and Y. Elezzabi, Phys. Rev. A 73 (2006) 13815 Augmenter encore l’énergie des électrons émis? Dans ces expériences, par excitation de l’onde de surface:  production d’électrons de 50 eV au lieu des 1 eV qui résultent du bilan photoélectrique multiphotonique: E = nh - Ws = 4 x 1.55 – 5.1

10. A plus haute intensité laser… 1018W/cm2et pour des durées d’impulsion ultra courtes < 100fs Création d’un plasma chaud,surdense et à gradient raide Mécanismes d’absorption connus : absorption résonnante ou instabilités paramétriques  peu efficaces iciBremsstrahlung inverse, JxB, Vacuum heating, Effet de peau anormal  accélération d’électrons peu importante à 1018W/cm2  créer des électrons chauds dans un plasma surdense par excitation d’une onde plasma de surface

11. d=0/2 y plasma ko Eo 70 60  ~31° 400 x Simulations PIC 2D (code EMI2D J.C. Adam A. Héron) ne/nc=25 , vthe =1KeV, I02=1018Wµm2/cm2, 60 fs Pour exciter l’onde plasma de surface  introduction d’une modulation sinusoïdale initiale de la surface du plasma La relation de dispersion et les conditions de résonance sont satisfaites par le choix du pas de la modulation a~0et de l’angle d’incidence  ~31° Alors : ksp= (24/23)1/2 k0 etysp~ 0= y0sin = y0/2

12. t=4380-1 sp Fonction de distribution de l’énergie des électrons: Sans onde plasma de surface  absorption en fin de run = 18% En présence de l’onde plasma de surface  absorption en fin de run = 68% Ecmax=2.3 MeV alors que Emax~ mc2(osc-1) ~ 0.16 MeV pour I02=1018Wµm2/cm2

13. Espace des vitesses  des électrons (px/mec, x0/c) à t=4380-1: En présence de l’onde de surface: En présence de l’onde de surface  paquets d’électrons à 0 sans onde de surface:

14. Pour conclure : Comme dans l’interaction laser-solide, on peut exciter une onde de surface dans l’interaction laser ultra-court et intense - plasma  très forte augmentation de l’absorption : 18%  68% • chauffage important des électrons : 2.3 MeV à 1018 Wµm2/cm2 Etudes futures: - Augmenter le chauffage des électrons et l’absorption en augmentant IL1er résultats à 1019 W/cm2 absorption = 76% + e- de 5 MeV - Mettre à profit le phénomène de l’augmentation de l’absorption afin d’augmenter l’efficacité de l’accélération des ions - Étude de la génération de champs magnétiques intenses en présence d’ondes plasmas de surface