Intense laser interaction with nanostructured plasmas : a kinetic numerical investigation

This thesis reports on a kinetic numerical investigation of the interaction between high in- tensity laser pulses and nanostructured plasmas in a regime characterized by the physical process of ion acceleration. A laser pulse is irradiated onto a double-layer target con- sisting in a low-density, nanostructured foam attached to a thin solid foil, giving rise to an enhanced acceleration process. The particle-in-cell code piccante is employed to solve the dynamics of the interaction, whose governing equations are given by the relativistic Vlasov-Maxwell system. Large scale two-dimensional and three-dimensional simulations, representative to some degree of the experiments, are performed to gain insights on the physical mechanisms at play. Special attention has been addressed towards the mathe- matical modelling of the foam morphology and structure, taking into account density and thickness non-uniformities, so to acquire elements concerning the role of the nanostructure in the interaction process. Moreover, plausible simulation parameters have been chosen for comparisons with available experimental data. The will of performing larger sets of sim- ulations with setups closer to the experimental ones emerged, once ascertained feasibility and limits in the use of realistic values for the physical system parameters. This led to the necessity of improving the code with further optimizations by developing the OpenMP parallelization model into the code.

Questa tesi riporta un’indagine numerica sull’interazione tra impulsi laser ad alta intensità e plasmi nanostrutturati in un regime caratterizzato dal processo fisico di accelerazione di ioni. Si considera l’irraggiamento da parte di un impulso laser su un bersaglio doppio strato composto da un film nanostrutturato a bassa densità, detto schiuma, depositato su di un sottile foglio solido. La dinamica cinetica e relativistica dell’interazione, governata dal sistema di equazioni di Vlasov-Maxwell, viene risolta numericamente mediante l’utilizzo del codice particle-in-cell piccante. Con l’obiettivo di analizzare i meccanismi fisici in gioco, il sistema in esame viene riprodotto attraverso onerose simulazioni in due e tre dimensioni, in parte rappresentative degli esperimenti. La modellazione matematica della morfologia e della struttura delle schiume è stata considerata con particolare attenzione, più specificamente tenendo conto delle disomogeneità nella densità e nello spessore, in modo da ottenere elementi sul ruolo della nanostruttura nella fisica dell’interazione. Le simulazioni sono state predisposte con parametri verosimili, così da poter effettuare confronti con i dati sperimentali disponibili in letteratura. Dopo aver accertato la possibilità e i limiti nell’utilizzo di valori realistici per i parametri fisici del sistema, è maturato l’interesse per un maggior numero di simulazioni con setup simili a quelli sperimentali. Ciò ha condotto alla necessità di introdurre ulteriori ottimizzazioni all’interno del codice, in particolare sviluppando il modello di programazzione parallela OpenMP.