Compact photon sources in multi-PetaWatt facilities : a kinetic numerical investigation

The first PetaWatt laser facilities are becoming operational, and are expected to de- liver on-target intensities exceeding 10 22 Wcm^−2 , making new regimes of laser-matter interaction experimentally available for the first time. Ultra-intense laser-plasma interaction can lead to a broad spectrum of physical effects among which synchrotron- like photon emission. This work aims to reach a better understanding of the physics and properties of the radiation emission in ultra-intense laser-plasma interaction. The goal of this thesis is to gain insights on the system behaviour, helping designing experiments never possible before. An extensive, kinetic, multidimensional Particle-In-Cell simulation campaign has been employed. A laser pulse with specifics realistic of the forthcoming Apollon facil- ity in Paris-Saclay, is used to impact on a multilayered target made of a low-density layer, and a solid density substrate. Special attention is given to the modelling, where a balance between physically realistic and computationally affordable configuration has been used. Carefully designing the simulation set-up we managed to observe copious high en- ergy photon production, with energy conversion efficiency from laser to synchrotron radiation of the order of 10^−1 .

Le prime installazioni di laser multi-PetaWatt stanno venendo ultimate. L’aspettativa è di poter irraggiare target con intensità superiori a 10 22 Wcm^−2 , riuscendo cosı̀ a ren- dere accessibili per la prima volta i regimi ultra-intensi dell’interazione laser-plasma. Quest’ultima può portare ad una vasta varietà di fenomeni fisici, tra cui l’emissione di radiazione di sincrotrone. L’obiettivo di questa tesi è quello di raggiungere una migliore comprensione della fisica e delle proprietà dell’emissione di radiazione nell’interazione laser-plasma ultra- intensa, fornendo cosı̀ strumenti utili alla progettazione di esperimenti mai stati possibili fino ad ora. A questo scopo è stato effettuato un vasto studio di simulazioni numeriche multidimensionali con il codice Particle-In-Cell Smilei. Un impulso laser, le cui specifiche sono state basate sulle reali condizioni nominali del laser Apollon (presto ultimato nel sito di Parigi-Saclay), è stato irraggiato su di un target multistrato composto da uno strato a bassa densità e uno a densità solida. Dando particolare attenzione alla modellazione numerica, è stata raggiunta una configurazione risultante dal compromesso tra l’aderenza alla realtà sperimentale e l’economia delle risorse computazionali. Progettando opportunamente i set-up delle simulazioni, è stato possibile osservare una copiosa produzione di fotoni ad alte energie, con efficienza complessiva di con- versione energetica da laser a radiazione dell’ordine di 10^−1 .